题目内容

16.如图所示,长为L,内壁光滑的直管 与水平地面成30°角固定放置,将一质量为m的小球固定在管底,用一轻质光滑细线将小球与质量为M=km(k>2)的小物块相连,小物块悬挂于管口,现将小球释放,一段时间后,小物块落地静止不动,小球继续向上运动,通过管口的转向装置后做平抛运动,小球的转向过程中速率不变.(重力加速度为g)
(1)求小物块下落过程中的加速度大小;
(2)求小球从管口抛出时的速度大小;
(3)试证明小球平抛运动的水平位移总小于$\frac{\sqrt{2}}{2}$L.

分析 (1)开始时小球沿斜面向上做匀加速,小物块向下也做匀加速,两者的加速度大小相等.对各自受力分析,运用牛顿第二定律列出等式,解出方程即可;
(2)小物块落地静止不动,小球继续向上做匀减速运动,对其受力分析,运用牛顿第二定律解出此时的加速度(与前一阶段加速度不等),结合运动学公式求出小球从管口抛出时的速度大小;
(3)运用平抛运动的规律表示出小球平抛运动的水平位移,利用数学知识证明问题.

解答 解:(1)设细线中的张力为T,根据牛顿第二定律,有:
Mg-T=Ma
T-mgsin30°=ma
且M=km
解得:$a=\frac{2k-1}{2(k+1)}g$
(2)设M落地时的速度大小为v,m射出管口时速度大小为v0,M落地后m的加速度为a0.
根据牛顿第二定律,有:
-mgsin30°=ma0
匀加速直线运动过程,有:
v2=2aLsin30°
匀减速直线运动过程,有:
${{v}_{0}}^{2}-{v}^{2}=2{a}_{0}L(1-sin3{0°}^{\;})$
解得:
${v_0}=\sqrt{\frac{k-2}{2(k+1)}gL}$(k>2)
(3)平抛运动过程:
x=v0t
$Lsin3{0°}^{\;}=\frac{1}{2}g{t}^{2}$
解得:$x=L\sqrt{\frac{k-2}{2(k+1)}}$
因为$\frac{k-2}{k+1}<1$,所以$x<\frac{{\sqrt{2}}}{2}L$,得证.  
答:(1)小物块下落过程中的加速度大小为$\frac{2k-1}{2(k+1)}g$;
(2)小球从管口抛出时的速度大小为$\sqrt{\frac{k-2}{2(k+1)}gL}$(k>2);
(3)小球平抛运动的水平位移总小于$\frac{{\sqrt{2}}}{2}L$,证明如上.

点评 本题本题考查牛顿第二定律,匀加速运动的公式及平抛运动规律;要注意第(2)问中要分M落地前和落地后两段计算,因为两段的m加速度不相等;第(3)问中,因为$\frac{k-2}{k+1}<1$,所以x=L$\sqrt{\frac{k-2}{2(k+1)}}$<$\frac{\sqrt{2}}{2}L$.

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