题目内容

2.如图,右侧是一个固定斜面,斜面足够长,倾角θ=30°,左侧是一个半径为R的半球形的碗固定在水平桌面上,碗口水平,O点为球心,一根不可伸长的轻绳跨在碗口及斜面顶端的定滑轮上,绳的两端分别系有可视为质点的小球,质量分别为m1和m2.开始时m1恰在碗口水平直径的右端A处,m2在斜面上且距离斜面顶端足够远,此时连接两球的细绳与斜面平行且恰好伸直.当m1由静止释放运动到圆心O的正下方B点的速度恰好为零,不计一切摩擦.
(1)求:两小球质量之比;
(2)若两球质量之比m1:m2=$\sqrt{2}$:1,仍将小球m1自A点静止释放,当下滑到B点时细绳恰好断开,求:细绳断开后,小球m1能上升的最大高度.

分析 (1)根据几何关系写出小球m2沿斜面上升的最大距离的表达式,对m1、m2系统由机械能守恒列出方程,联立即可求出;
(2)先根据运动合成与分解求出小球m1到达最低点B时m1、m2速度关系,对m1、m2系统由功能关系列出方程,细绳断后m2沿斜面上升,对m2由机械能守恒定律列出方程,根据几何关系写出小球m2沿斜面上升的最大距离的表达式,联立方程即可求解;

解答 解:(1)设重力加速度为g,当m1下降到最低点时,m1下降的高度是R,而m2上升的高度:h=$\sqrt{2Rsinθ}$
由机械能守恒得:m1gR-m2gh=0
代入数据,联立得:$\frac{{m}_{1}}{{m}_{2}}=\frac{\sqrt{2}}{2}$
(2)小球m1到达最低点B时m1、m2速度大小分别为v1、v2,
由运动合成与分解得${v_1}=\sqrt{2}{v_2}$
对m1、m2系统由功能关系得
${m_1}gR-{m_2}gh=\frac{1}{2}{m_1}{v_1}^2+\frac{1}{2}{m_2}{v_2}^2$
又:m1:m2=$\sqrt{2}$:1,
设细绳断后m2沿斜面上升的距离为s′,对m2由机械能守恒定律得${m}_{2}gH=\frac{1}{2}{m}_{2}{v}_{2}^{2}$
小球m2沿斜面上升的最大高度:H=$\frac{4-\sqrt{2}}{7}R$
答:(1)两小球质量之比是$\sqrt{2}$:2;
(2)细绳断开后,小球m1能上升的最大高度是$\frac{4-\sqrt{2}}{7}R$.

点评 本题主要考查了机械能守恒定律,解答的关键是关键运动合成分解知识判断两个小球的速度大小关系,同时考查学生综合分析理解及运算能力,难度适中.

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