题目内容

如图所示,B是质量为mB、半径为R的光滑半球形碗,放在光滑的水平桌面上.A是质为mA的细长直杆,被固定的光滑套管C约束在竖直方向,A可自由上下运动.碗和杆的质量关系为:mB=2mA.初始时,A杆被握住,使其下端正好与碗的半球面的上边缘接触(如图).然后从静止开始释放A,A、B便开始运动.设A杆的位置用θ 表示,θ 为碗面的球心O至A杆下端与球面接触点的连线方向和竖直方向之间的夹角.求A与B速度的大小(表示成θ 的函数).
分析:选A与B组成的系统为研究对象,由于只有重力和相互作用的弹力做功,系统机械能守恒,A的重力势能的减少量变成系统的动能增加量,由于A被固定在竖直方向,他仅具有竖直方向的速度,同样B的速度将沿着水平方向,两者速度之间的关系为:杆相对地面的速度是杆相对碗的速度与碗相对地面的速度的合速度,其中A杆与碗的接触点在碗面内作半径为R的圆周运动,速度的方向与圆周相切.
解答:解:由题设条件知,若从地面参考系观测,则任何时刻,A沿竖直方向运动,设其速度为vA,B沿水平方向运动,设其速度为vB,若以B为参考系,从B观测,则A杆保持在竖直方向,它与碗的接触点在碗面内作半径为R的圆周运动,速度的方向与圆周相切,设其速度为VA.杆相对地面的速度是杆相对碗的速度与碗相对地面的速度的合速度,速度合成的矢量图如图中的平行四边形所示.由图得VAsinθ=vA         (1)
VAcosθ=vB         (2)
因而,vB=vAcotθ         (3)
选AB组成的系统为研究对象,由能量守恒:
mAgRcosθ=
1
2
mA
v
2
A
+
1
2
mB
v
2
B
(4)
由(3)、(4)两式及mB=2mA得
vA=sinθ
2gRcosθ
1+(cosθ)2
   (5)
 vB=cosθ
2gRcosθ
1+(cosθ)2
  (6)
答:两物体速度为:vA=sinθ
2gRcosθ
1+(cosθ)2

vB=cosθ
2gRcosθ
1+(cosθ)2
点评:注意两物体速度之间的牵连关系是本题的难点,要转换参考系,利用矢量的合成的法则解决
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