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有一倾角为θ=37°的硬杆,其上套一底端固定且劲度系数为k=120N/m的轻弹簧,弹簧与杆间无摩擦.一个质量为m=1kg的小球套在此硬杆上,从P点由静止开始滑下,已知小球与硬杆间的动摩擦因数为µ=0.5,P与弹簧自由端Q间的距离为L=1m.簧的弹性势能与其形变量x的关系为EP=
1
2
kx2.求:

(1)木块从开始下滑到与弹簧自由端相碰所经历的时间t;
(2)木块运动过程中达到的最大速度vm
(3)若使木块在P点以初速度v0下滑后又恰好回到P点,则v0需多大?
人气:456 ℃ 时间:2020-05-01 21:47:16
解答
(1)小球做匀加速直线运动,合力为:
F=mgsinθ-μmgcosθ
由牛顿第二定律得:
a=
F
m
=gsinθ-μgcosθ=2m/s2
由运动学方程得:
L=
1
2
 
at2
故:t=
2L
a
=1s

(2)当小球从P点无初速滑下时,弹簧被压缩至x处有最大速度,则有:
mgsinθ=μmgcosθ+kx
解得:x=0.017m
对于小球从最高点到速度最大位置,由动能定理得:
mgsinθ(l+x)-μmgcosθ(l+x)-W=
1
2
mv2m

而,W
1
2
kx2
整理得:
v2m
=4l+2x

代入数据得:vm=2m/s
(3)设小球从P点压缩弹簧至最低点,弹簧的压缩量为x1,由动能定理
mgsinθ(l+x1)-μmgcosθ(l+x1)-
1
2
kx21
=0-
1
2  
mv20

从最低点经过弹簧原长Q点回到P点的速度为0,则有:
1
2  
kx21
-mgsinθ(l+x1)-μmgcosθ(l+x1)=0
解得:x1=0.5m
v0≈5m/s
答:(1)木块从开始下滑到与弹簧自由端相碰所经历的时间1s
(2)木块运动过程中达到的最大速度2m/s
(3)若使木块在P点以初速度v0下滑后又恰好回到P点,v0需达到5m/s
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