题目内容

10.风洞是研究空气动力学的实验设备.如图,将刚性杆水平固定在风洞内距地面高度H=3.2m处,杆上套一质量m=3kg,可沿杆滑动的小球.将小球所受的风力调节为F=15N,方向水平向左.小球以速度v0=8m/s向右离开杆端,假设小球所受风力不变,取g=10m/s2.求:
(1)小球落地所需时间和离开杆端的水平距离;
(2)小球落地时的动能.
(3)小球离开杆端后经过多少时间动能为78J?

分析 (1)小球离开杆后在竖直方向做自由落体运动,水平方向做匀减速直线运动;根据自由落体运动规律可求得时间;根据水平方向的匀变速直线运动规律可求得水平位移;
(2)对小球下落全过程由动能定理列式可求得落地时的动能;
(3)设达到78J用时为t,根据运动学公式求出其竖直分位移和水平分位移;再对下落过程由动能定理列式,根据数学规律可求得速度为78J所用的时间.

解答 解:
(1)小球在竖直方向做自由落体运动,运动时间为
t=$\sqrt{\frac{2H}{g}}$=$\sqrt{\frac{2×3.2}{10}}$=0.8s;
小球在水平方向做匀减速运动,加速度
a=$\frac{F}{m}$=$\frac{15}{3}$=5m/s2;
则水平位移s=v0t-$\frac{1}{2}$at2=8×0.8-$\frac{1}{2}×5×0.64$=4.8m
(2)由动能定理
EK-$\frac{1}{2}$mv02=mgH-Fx
解得:Ek=120J
(3)小球离开杆后经过时间t的水平位移
x=v0t-$\frac{1}{2}$at2
竖直分位移h=$\frac{1}{2}$gt2;
由动能定理EK-$\frac{1}{2}$mv02=mg×$\frac{1}{2}\\;g{t}^{2}$gt2-Fx
将EK=78J和v0=8m/s代入得
187.5t2-80t+18=0
解得t1=0.4s,t2=0.24s
答:(1)小球落地所需时间为0.8s;离开杆端的水平距离为4.8m;
(2)小球落地时的动能为120J;
(3)小球离开杆端后经过0.4s和0.24s时间动能均为78J.

点评 本题考查动能定理以及运动的合成和分解规律,难点在于第三问中的数学规律的应用,要注意体会物理对于数学知识应用的考查,在学习中要注意体会并加强该方面的训练.

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