题目内容

15.如图1所示,一根内壁光滑的直角三角形玻璃管子处于竖直平面内,倾斜角为θ=37°,让两个小球分别从顶点A由静止开始出发,一个球沿AC滑下,到达C所用的时间为t1,另一个球竖直自由下落经过B到达C,所用的时间为t2,在转弯处有个极小的光滑圆弧,可确保小球转弯时无机械能损失,且转弯时间可以忽略不计.问:

(1)计算t1:t2的值;
(2)若用同样的玻璃管把ABC轨道改为如图2所示的ADEFC(在转弯处均有个极小的光滑圆弧),仍让小球从A静止开始运动,依次通过D、E、F后到达C点所用时间为t3,试定性说明t3和t1、t2的大小关系.

分析 (1)根据牛顿第二定律求出小球沿AC下滑的加速度,由位移公式求出时间t1与AC长度的关系.沿ABC滑下过程在AB段小球做自由落体运动,BC段做匀速直线运动,分别求出两段时间与AB位移大小的关系,再求解t1:t2的值;
(2)若球沿ADEF到C,小球在竖直管中运动的时间是相同的,分析小球在DE运动时的速度比在BC中运动速度的关系,判断t3与t2、t1的关系.

解答 解:(1)设三边分别为3l、4l、5l,由AC滑下有a=gsinθ=0.6g.
由$\frac{1}{2}a{{t}_{1}}^{2}=5l$得:
${t}_{1}=\sqrt{\frac{10l}{0.6g}}=5\sqrt{\frac{2l}{3g}}$
沿ABC滑下AB段有:$\frac{1}{2}g{{t}_{21}}^{2}=3l$
得:${t}_{21}=\sqrt{\frac{6l}{g}}$
$v=g{t}_{21}=\sqrt{6gl}$
沿水平BC段有vt21=4l,得t22=$\frac{4l}{\sqrt{6gl}}$
${t}_{2}={t}_{21}+{t}_{22}=5\sqrt{\frac{2l}{3g}}$
故知t1:t2=1:1,两球同时释放,同时到达C点.
(2)若球沿ADEF到C,则可知小球在竖直管中运动的时间是相同的,而沿DE运动时小球的速度比在BC中运动要小,故在水平管中运动时间延长沿ABC管的时间比沿ADEFC的时间要短一些,故t3>t2=t1.
答:(1)t1:t2=1:1;
(2)t3和t1、t2的大小关系:t3>t2=t1.

点评 本题要学会用相同的量表示t2、t1.也可以通过作速度图象进行分析.

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