(2011?江蘇)如圖所示,長為L、內(nèi)壁光滑的直管與水平地面成30°角固定放置.將一質(zhì)量為m的小球固定在管底,用一輕質(zhì)光滑細(xì)線將小球與質(zhì)量為M=km的小物塊相連,小物塊懸掛于管口.現(xiàn)將小球釋放,一段時間后,小物塊落地靜止不動,小球繼續(xù)向上運動,通過管口的轉(zhuǎn)向裝置后做平拋運動,小球在轉(zhuǎn)向過程中速率不變.(重力加速度為g)
(1)求小物塊下落過程中的加速度大;
(2)求小球從管口拋出時的速度大;
(3)試證明小球平拋運動的水平位移總小于
2
2
L.
分析:開始時小球沿斜面向上做勻加速,小物塊向下也做勻加速,兩者的加速度大小相等.對各自受力分析,運用牛頓第二定律列出等式,解出方程.
小物塊落地靜止不動,小球繼續(xù)向上做勻減速運動,對其受力分析,運用牛頓第二定律解出此時的加速度(與前一階段加速度不等),結(jié)合運動學(xué)公式求出小球從管口拋出時的速度大。
運用平拋運動的規(guī)律表示出小球平拋運動的水平位移,利用數(shù)學(xué)知識證明問題.
解答:解:(1)設(shè)細(xì)線中的張力為T,對小球和小物塊各自受力分析:

根據(jù)牛頓第二定律得:
對M:Mg-T=Ma
對m:T-mgsin30°=ma
且M=km
解得:a=
2k-1
2(k+1)
g

(2)設(shè)M落地時的速度大小為v,m射出管口時速度大小為v0,M落地后m的加速度為a0
根據(jù)牛頓第二定律有:mgsin30°=ma0
對于m勻加速直線運動有:v2=2aLsin30°
對于小物塊落地靜止不動,小球m繼續(xù)向上做勻減速運動有:v2-v02=2a0L(1-sin30°)
解得:v0=
k-2
2(k+1)
gL
(k>2)
(3)平拋運動x=v0t    Lsin30°=
1
2
gt2 
解得x=L
k-2
2(k+1)

因為
k-2
k+1
<1,所以x<
2
2
L,得證.
答:(1)求小物塊下落過程中的加速度大小是
2k-1
2(k+1)
g

(2)求小球從管口拋出時的速度大小是
k-2
2(k+1)
gL
;
點評:本題考查牛頓第二定律,勻加速運動的公式及平拋運動規(guī)律.
要注意第(2)問中要分M落地前和落地后兩段計算,因為兩段的m加速度不相等.
第(3)問中,因為
k-2
k+1
<1
,所以x=L
k-2
2(k+1)
2
2
L
練習(xí)冊系列答案
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