题目内容

18.如图所示,粗细均匀的圆木棒A下端离地面高h,上端套着一个细环B.A和B的质量均为m,A和B间的滑动摩擦力为f,且f<mg.用手控制A和B,使它们从静止开始自由下落,当A与地面碰撞后,A以碰撞地面时的速度大小竖直向上运动,与地面碰撞时间极短,空气阻力不计,运动过程中A始终呈竖直状态.求:
(1)木棒A与地面第一次碰撞后A、B的加速度大小和方向;
(2)若A再次着地前B不脱离A,A的长度应满足什么条件?

分析 刚开始棒和环一起向下做自由落体运动,求出棒落地时的速度,根据牛顿第二定律求出木棒弹起竖直上升过程中木棒和环的加速度,而环在木棒上升及下落的全过程中一直处于加速运动状态,所以木棒从向上弹起到再次着地的过程中,棒与环的加速度均保持不变,根据运动学基本公式求出棒再次着地时的时间,从而求出这段时间内环运动的位移即可棒的最小长度.

解答 解:(1)木棒与环一起自由下落,设木棒着地时的速度为${v}_{0}^{\;}$,则有
${v}_{0}^{2}=2gh$                
得:${v}_{0}^{\;}=\sqrt{2gh}$
木棒A与地面第一次碰撞后,木棒弹起竖直上升过程中,根据牛顿第二定律得
对木棒:$f+mg=m{a}_{1}^{\;}$            
得   ${a}_{1}^{\;}=\frac{f+mg}{m}$    方向竖直向下
对环:$mg-f=m{a}_{2}^{\;}$               
得   ${a}_{2}^{\;}=\frac{mg-f}{m}$  方向竖直向下
(2)环在木棒上升及下降的全过程中一直处于向下加速运动状态,木棒从向上弹起到再次着地的过程中木棒与环的加速度均保持不变.
木棒在空中运动的时间为     $t=\frac{2{v}_{0}^{\;}}{{a}_{1}^{\;}}$
在这段时间内,环运动的位移为$x={v}_{0}^{\;}t+\frac{1}{2}{a}_{2}^{\;}{t}_{\;}^{2}$        
要使环不碰地面,则要求木棒长度不小于x,即L≥x
解得:$L≥\frac{8{m}_{\;}^{2}{g}_{\;}^{2}h}{(mg+f)_{\;}^{2}}$

答:(1)木棒A与地面第一次碰撞后A的加速度大小为$\frac{f+mg}{m}$和方向竖直向下;B的加速度大小为$\frac{mg-f}{m}$,方向竖直向下
(2)若A再次着地前B不脱离A,A的长度应满足条件$L≥\frac{8{m}_{\;}^{2}{g}_{\;}^{2}h}{(mg+f)_{\;}^{2}}$

点评 本题主要考查了牛顿第二定律以及运动学基本公式的直接应用,要求同学们能正确分析棒和环的运动情况,知道棒和环的运动时间相等,再抓住位移关系求解,难度适中

练习册系列答案
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4.某探究实验小组的同学为了研究平抛物体的运动,该小组同学利用如图所示的实验装置探究平抛运动.
(1)首先采用如图甲所示的装置.用小锤击打弹性金属片,使A球沿水平方向弹出,同时B球被松开,自由下落,将观察到两球同时(选填“同时”或“不同时”)落地,改变小锤击打的力度,即改变A球被弹出时的速度,仍能观察到相同的现象,这说明A.(选填所述选项前的字母)
A.平抛运动的物体在竖直方向上做自由落体运动
B.平抛运动的物体在水平方向上做匀速直线运动
C.能同时说明上述选项A、B所述的规律
(2)然后采用如图乙所示的装置.两个相同的弧形轨道M、N,分别用于发射小铁球P、Q,其中N的末端可看作与光滑的水平板相切,两轨道上端分别装有电磁铁C、D;调节电磁铁C、D的高度使AC=BD,从而保证小铁球P、Q在轨道出口处的水平初速度v0相等.现将小铁球P、Q分别吸在电磁铁C、D上,然后切断电源,使两小球同时以相同的初速度v0分别从轨道M、N的末端射出.实验可观察到的现象应是P球将能击中Q球(选填“能”或“不能”).仅仅改变弧形轨道M的高度,重复上述实验,仍能观察到相同的现象,这说明B.(选填所述选项前的字母)
A.平抛运动的物体在竖直方向上做自由落体运动
B.平抛运动的物体在水平方向上做匀速直线运动
C.不能说明上述选项A、B所描述规律中的任何一条.

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