题目内容

16.如图为某种鱼饵自动投放器中的投饵管装置示意图,其下半部AB是一长为2R的竖直细管,上半部BC是半径为R的四分之一圆弧弯管,管口沿水平方向,AB管内有一原长为R、下端固定的轻质弹簧.投饵时,每次总将弹簧长度压缩到0.5R后锁定,在弹簧上段放置一粒鱼饵,解除锁定,弹簧可将鱼饵弹射出去.设质量为m的鱼饵到达管口C时,对管壁的作用力恰好为零.不计鱼饵在运动过程中的机械能损失,且锁定和解除锁定时,均不改变弹簧的弹性势能.已知重力加速度为g.求:
(1)质量为m的鱼饵到达管口C时的速度大小v1;
(2)弹簧压缩到0.5R时的弹性势能Ep;
(3)已知地面与水面相距1.5R,若使该投饵管绕AB管的中轴线OO′在90°角的范围内来回缓慢转动,每次弹射时只放置一粒鱼饵,鱼饵的质量在$\frac{2}{3}$m到m之间变化,且均能落到水面.持续投放足够长时间后,鱼饵能够落到水面的最大面积S是多少?

分析 (1)鱼饵到达管口C时做圆周运动的向心力完全由重力提供,有牛顿第二定律列出向心力的方程,速度v1可求.
(2)不计鱼饵在运动过程中的机械能损失,所以鱼饵增加的机械能都是弹簧做功的结果,由功能关系知道弹簧具有的弹性势能等于鱼饵增加的机械能.
(3)分别求出质量是在$\frac{2}{3}$m到m的鱼饵离开C时的速度,再利用平抛运动规律求出落到水平面到转轴之间的距离,转轴转过90°时,鱼饵在水平面形成两个$\frac{1}{4}$圆面积,中间夹的环形面积即为所求.

解答 解:(1)质量为m的鱼饵到达管口C时做圆周运动的向心力完全由重力提供,则
    mg=$\frac{{v}_{1}^{2}}{R}$
解得  v1=$\sqrt{gR}$
(2)弹簧的弹性势能全部转化为鱼饵的机械能,由机械能守恒定律有
    Ep=mg(1.5R+R)+$\frac{1}{2}m{v}_{1}^{2}$
由上解得 Ep=3mgR
(3)不考虑因缓慢转动装置对鱼饵速度大小的影响,质量为m的鱼饵离开管口C后做平抛运动,设经过t时间落到水面上,离OO’的水平距离为x1,由平抛规律有
  4.5R=$\frac{1}{2}$gt2
  x1=v1t+R
联立解得 x1=4R
当鱼饵的质量为$\frac{2}{3}$m时,设其到达管口C时速度大小为v2,由机械能守恒定律有
    Ep=$\frac{2}{3}$mg(1.5R+R)+$\frac{1}{2}(\frac{2}{3}m){v}_{2}^{2}$
解得:v2=2$\sqrt{gR}$
质量为$\frac{2}{3}$m的鱼饵落到水面时上时,设离OO′的水平距离为x2
则  x1=v2t+R
解得:x2=7R
鱼饵能够落到水面的最大面积S,S=$\frac{1}{4}$(πx22-πx12)=$\frac{33}{4}$πR2(或8.25πR2). 
答:
(1)质量为m的鱼饵到达管口C时的速度大小v1是$\sqrt{gR}$.
(2)弹簧压缩到0.5R时的弹性势能Ep是3mgR.
(3)持续投放足够长时间后,鱼饵能够落到水面的最大面积S是8.25πR2.

点评 本题要理清鱼饵的运动情况,把握最高点的临界条件:重力等于向心力,要抓住转轴转过90°鱼饵在水平面上形成圆周,结合几何知识研究.

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