题目内容

11.如图所示,一质量为m=2kg的小球套在一根固定的直杆上,直杆与水平面夹角为θ=370,现小球在F=30N的沿杆向上的拉力作用下,从A点由静止开始沿杆向上运动,已知杆与球之间的动摩擦因数μ=0.5,取重力加速度g=10m/s2,试求:
(1)有F作用时小球运动的加速度a1的大小;
(2)若F作用t1=4s后撤去,小球上滑过程中距A点的最大距离sm;
(3)若从摘法力F开始计时,小球再次经过A点的时间(取$\sqrt{3}$=1.73.$\sqrt{5}$=2.24计算结果保留两位小数).

分析 (1)对小球受力分析,运用牛顿第二定律求出小球的加速度.
(2)根据匀变速直线运动公式求出撤去拉力前的位移和末速度,再根据牛顿第二定律求出撤去拉力后的加速度,根据运动学公式求出上滑的位移,从而得出小球上滑过程中距A点最大距离.
(3)根据牛顿第二定律求解小球返回的加速度,根据位移时间公式求出从最高点返回到A点的运动的时间,小球再次经过A点的时间等于上滑到最高点的时间和从最高点返回到A点的时间;

解答 解:(1)有拉力F作用时,根据牛顿第二定律得:
F-f-mgsinθ=ma1
f=μFN
FN=mgcosθ
解得:a1=5 m/s2
(2)撤去F时,物体的速度为v,物体的位移为x1,则:
v=a1t1
x1=$\frac{1}{2}a{\;}_1{t_1}^2$
撤去拉力F后,物体做匀减速运动直线运动,加速度大小为a2,对物体应用牛顿第二定律得:
f+mgsinθ=ma2
撤去拉力F后,物体速度减为零所用时间为t2,物体的位移为x2,${t_2}=\frac{v}{a_2}$
x2=$\frac{v^2}{{2{a_2}}}$
物体距A点的最大距离为:
sm=x1+x2
代入数据,解得:sm=60m
(3)物体速度减为零后,沿斜面加速下滑,加速度大小为a3,回到A点的时间为t3,
对物体应用牛顿第二定律得:
mgsinθ-f=ma3
sm=$\frac{1}{2}{a_3}{t_3}^2$
从撤去拉力F到物体再次回到A点的时间为t,则:
t=t2+t3
代入数据,解得:t=9.75s   
答:(1)有F作用时小球运动的加速度a1的大小为$5m/{s}_{\;}^{2}$;
(2)若F作用t1=4s后撤去,小球上滑过程中距A点的最大距离${s}_{m}^{\;}$为60m;
(3)若从撤去力F开始计时,小球再次经过A点的时间为9.75s

点评 牛顿第二定律和运动学公式是解决力学的基本方法.关键在于分析物体的受力情况和运动情况.当物体受力较多时,往往采用正交分解法求加速度,难度适中.

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