Question

2．如圖所示，質(zhì)量為m的物體套在光滑豎直桿上，一輕繩跨過固定的光滑小滑輪O連在物體m上，小滑輪到桿的水平距離OB=0.3m，繩另一端掛一質(zhì)量為M的物塊，當(dāng)細(xì)繩與豎直桿間的夾角為60°時(shí)，系統(tǒng)恰可保持靜止?fàn)顟B(tài)，不計(jì)輕繩的重力和一切阻力（g取10m/s²）
（1）求$\frac{m}{M}$的值；
（2）當(dāng)將m由B點(diǎn)起從靜止開始釋放后，m將在B、C間做往復(fù)運(yùn)動，求B、C間的距離及最大速度．

Answer 1

分析 （1）對m進(jìn)行受力分析，由細(xì)繩與豎直桿間的夾角為60°時(shí)，系統(tǒng)恰可保持靜止?fàn)顟B(tài)，結(jié)合共點(diǎn)力的平衡即可求出，可求出M：m．
（2）m到達(dá)最低點(diǎn)時(shí)，二者的速度都等于0，根據(jù)機(jī)械能守恒定律列式，聯(lián)立即可求得向下的最大距離；
當(dāng)m的速度最大時(shí)，受到的合外力恰好等于0，由機(jī)械能守恒結(jié)合運(yùn)動的合成與分解即可求出最大速度．

解答 解：（1）M處于平衡狀態(tài)，則繩子的拉力F=Mg
m受到重力、繩子的拉力和桿的支持力處于平衡狀態(tài)，則繩子在豎直方向的分力等于m的重力，即：
mg=F•cos60°
聯(lián)立得：$\frac{m}{M}=\frac{1}{2}$
（2）m向下滑動過程中，m與M組成的系統(tǒng)機(jī)械能守恒，設(shè)m到達(dá)最低點(diǎn)時(shí)下降的距離為h，M上升的高度為s，設(shè)BO之間的距離為L，則有
Mgs=mgh
又由幾何知識有s=$\sqrt{{L}^{2}+{h}^{2}}$-L
聯(lián)立得：h=0.4m
由題可知，當(dāng)m的速度最大時(shí)，受到的合外力恰好等于0，可知此時(shí)繩子與桿之間的夾角為60°，設(shè)此時(shí)m的速度為v₁，M的速度為v₂，則v₁沿繩子方向的分速度等于v₂．
根據(jù)m的速度沿細(xì)線方向的分速度等于M的速度，得v₁cos60°=v₂，
則：v₂=0.5v₁
此時(shí)m下降的距離：$h′=\frac{L}{tan60°}=\frac{0.3}{\sqrt{3}}=0.1732m$
M上升的高度：$s′=\frac{L}{sin60°}-L=\frac{0.3}{\frac{\sqrt{3}}{2}}-0.3≈0.0464$m
又由機(jī)械能守恒得：mgh′=Mgs′+$\frac{1}{2}m{v}_{1}^{2}+\frac{1}{2}M{v}_{2}^{2}$
聯(lián)立得：v₁≈1m/s
答：（1）$\frac{m}{M}$的值是$\frac{1}{2}$；
（2）B、C間的距離是0.4m，最大速度是1m/s．

點(diǎn)評 本題是系統(tǒng)的機(jī)械能守恒問題，關(guān)鍵是運(yùn)用速度的分解法得到兩個(gè)物體之間速度的關(guān)系．