题目内容
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(1)外力F的最小值.
(2)撤去外力F后,细杆从图示位置到绕O点罢到地面前的过程中,系统(指细杆和物体D)重力势能的变化量.
(3)撤去外力F后,细杆绕O点转到地面的瞬间,物体D的速度大小.
分析:(1)根据力矩平衡条件,当力臂最长时,外力最小.当F作用在A点且与杆垂直斜向上时,F最小.由力矩平衡条件求出F最小值.
(2)撤去外力F后,细杆从图示位置到绕O点罢到地面前的过程中,物体D上升重力势能增大,杆的重心下降,重力势能减小,根据几何知识求出D上升的高度和杆重心下降的高度,进而求出系统(指细杆和物体D)重力势能的变化量.
(3)根据圆周运动知识,研究细杆绕O点转到地面的瞬间杆的角速度与物体D速度的关系,根据机械能守恒定律列方程求解.
(2)撤去外力F后,细杆从图示位置到绕O点罢到地面前的过程中,物体D上升重力势能增大,杆的重心下降,重力势能减小,根据几何知识求出D上升的高度和杆重心下降的高度,进而求出系统(指细杆和物体D)重力势能的变化量.
(3)根据圆周运动知识,研究细杆绕O点转到地面的瞬间杆的角速度与物体D速度的关系,根据机械能守恒定律列方程求解.
解答:解:(1)要使F最小,F必须作用于A点,且方向垂直于杆斜向上.如图.
根据力矩平衡条件得:FL+T
sin60°=mgcos60°
又T=
mg
代入解得 F=
mg=0.11mg
(2)撤去外力F后,细杆从图示位置到绕O点罢到地面前的过程中,物体D的重力势能增大,杆的重力势能减小,
由图可知,细杆重心下降了
L,物体D上升了
则△EP=
mg?
-mg
L=
mgL=-0.27mgL
即系统的重力势能减小了0.27mgL.
(3)设细杆着时角速度为ω,B点着地时速度为vB,物体D的速度为vD,则
vB=ω?
vD=vBsinθ
根据系统机械能守恒得
mL2ω2+
×
m
=-△EP
代入解得vD=0.5
答:(1)外力F的最小值为0.11mg.
(2)撤去外力F后,细杆从图示位置到绕O点罢到地面前的过程中,系统重力势能的变化量为-0.27mgL.
(3)撤去外力F后,细杆绕O点转到地面的瞬间,物体D的速度大小为vD=0.5
.
根据力矩平衡条件得:FL+T
| L |
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又T=
| 1 |
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代入解得 F=
3-
| ||
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(2)撤去外力F后,细杆从图示位置到绕O点罢到地面前的过程中,物体D的重力势能增大,杆的重力势能减小,
由图可知,细杆重心下降了
| ||
| 4 |
| L |
| 2 |
则△EP=
| 1 |
| 3 |
| L |
| 2 |
| ||
| 4 |
2-3
| ||
| 12 |
即系统的重力势能减小了0.27mgL.
(3)设细杆着时角速度为ω,B点着地时速度为vB,物体D的速度为vD,则
vB=ω?
| L |
| 2 |
根据系统机械能守恒得
| 1 |
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| 1 |
| 2 |
| 1 |
| 3 |
| v | 2 D |
代入解得vD=0.5
| gL |
答:(1)外力F的最小值为0.11mg.
(2)撤去外力F后,细杆从图示位置到绕O点罢到地面前的过程中,系统重力势能的变化量为-0.27mgL.
(3)撤去外力F后,细杆绕O点转到地面的瞬间,物体D的速度大小为vD=0.5
| gL |
点评:本题考查力矩平衡与能量守恒定律综合运用的能力,难点在于寻找着地时,物体D与杆上B点速度关系.
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