题目内容
(1)若该人在踏板上保持站式,由伙伴将其推至摆角θ0弧度,由静止释放,忽略空气阻力,求摆至最低点时绳中的拉力大小;
(2)若该人在踏板上保持站式,由伙伴将其推至摆角θ1弧度,由静止释放,摆至另一侧最大摆角为θ2弧度,设空气阻力大小恒定,作用点距离脚底为H/3,求空气阻力的大小.
(3)若该人在踏板上采取如下步骤:当荡至最高处时,突然由蹲式迅速站起,而后缓缓蹲下,摆至另一侧最高处时已是蹲式,在该处又迅速站起,之后不断往复,可以荡起很高.记此法可以荡起的最大摆角为θm 弧度,假设人的“缓缓蹲下”这个动作不会导致系统机械能的损耗,而且空气阻力大小和作用点与第(2)问相同,试证明:
| θm |
| cosθm |
| θ1+θ2 |
| 44(cosθ2-cosθ1) |
分析:(1)人在摆动过程中机械能守恒,根据机械能守恒定律列式求最低点速度,再根据重力和拉力的合力提供向心力列式求拉力;
(2)先计算出人从一侧最高点到另一侧最高点过程中机械能的减小量,然后根据大小恒定的变力做功的表达式W=FS计算出克服阻力做功等于阻力与路程的乘积;
(3)对人运动一个周期的过程进行分析,克服阻力做功等于阻力与路程的乘积,人做功补偿的机械能等于人站起而使重力势能增加的量,列方程求解.
(2)先计算出人从一侧最高点到另一侧最高点过程中机械能的减小量,然后根据大小恒定的变力做功的表达式W=FS计算出克服阻力做功等于阻力与路程的乘积;
(3)对人运动一个周期的过程进行分析,克服阻力做功等于阻力与路程的乘积,人做功补偿的机械能等于人站起而使重力势能增加的量,列方程求解.
解答:解:(1)设荡至最低点时速度为v,则由机械能守恒定律有
mv2=mg(6H-
)(1-cosθ0)
设拉力为F,则由牛顿第二定律
F-mg=m
求得F=3mg-2cosθ0
即摆至最低点时绳中的拉力大小3mg-2cosθ0.
(2)全程损耗的机械能为
△E机=mg(6H-
)(cosθ2-cosθ1)
空气阻力做的功为
Wf=-f(6H-
)(θ1+θ2)
由功能关系有Wf=△E机
求得f=
mg
即空气阻力的大小为
mg.
(3)在一个周期内,通过“迅速站起”获得的机械能(重力势能)是△E机=2mg(
-
)cosθ m
空气阻力做的功是Wf=-4f(6H-
)θm
由功能关系有Wf=△E机
求得
=
,得证.
| 1 |
| 2 |
| H |
| 2 |
设拉力为F,则由牛顿第二定律
F-mg=m
| v2 | ||
6H-
|
求得F=3mg-2cosθ0
即摆至最低点时绳中的拉力大小3mg-2cosθ0.
(2)全程损耗的机械能为
△E机=mg(6H-
| H |
| 2 |
空气阻力做的功为
Wf=-f(6H-
| H |
| 3 |
由功能关系有Wf=△E机
求得f=
| 33(cosθ1-cosθ2) |
| 34(θ1+θ2) |
即空气阻力的大小为
| 33(cosθ1-cosθ2) |
| 34(θ1+θ2) |
(3)在一个周期内,通过“迅速站起”获得的机械能(重力势能)是△E机=2mg(
| H |
| 2 |
| H |
| 4 |
空气阻力做的功是Wf=-4f(6H-
| H |
| 3 |
由功能关系有Wf=△E机
求得
| θm |
| cosθm |
| θ1+θ2 |
| 44(cosθ2-cosθ1) |
点评:本题关键是根据功能关系列方程求解,要注意阻力做的功等于阻力与路程的乘积.
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