3.一足夠長(zhǎng)的粗細(xì)均勻的桿被一細(xì)繩吊于高處,桿下端離地面高H,上端套一個(gè)細(xì)環(huán),如圖所示.?dāng)嚅_輕繩,桿和環(huán)自由下落,假設(shè)桿與地面發(fā)生碰撞時(shí)觸地時(shí)間極短,無(wú)動(dòng)能損失,桿立即獲得等大反向的速度.已知桿和環(huán)的質(zhì)量均為m,相互間最大靜摩擦力等于滑動(dòng)摩擦力kmg(重力加速度為g,
k>1).桿在整個(gè)過(guò)程中始終保持豎直,空氣阻力不計(jì).求:
(1)桿第一次與地面碰撞彈起上升的過(guò)程中,環(huán)的加速度
(2)桿與地面第二次碰撞前的瞬時(shí)速度
(3)從斷開輕繩到桿和環(huán)靜止,摩擦力對(duì)環(huán)和桿做的總功.

分析 (1)在桿上升的過(guò)程中,環(huán)要受到重力的作用,同時(shí)由于環(huán)向下運(yùn)動(dòng)而棒向上運(yùn)動(dòng),環(huán)還要受到桿的向上的摩擦力的作用,根據(jù)牛頓第二定律列式可以求得加速度的大。
(2)根據(jù)動(dòng)能定理求出桿第一次落地的速度大小,然后根據(jù)頓第二定律求出桿彈起后的加速度,最后根據(jù)運(yùn)動(dòng)學(xué)公式可以求得桿與地面第二次碰撞前的瞬時(shí)速度;
(3)整個(gè)過(guò)程中能量的損失都是由于摩擦力對(duì)物體做的功,所以根據(jù)能量的守恒可以較簡(jiǎn)單的求得摩擦力對(duì)環(huán)和桿做的總功.

解答 解:(1)設(shè)桿第一次上升的過(guò)程中環(huán)的加速度為a,
根據(jù)牛頓第二定律可得,kmg-mg=ma,
解得:a=(k-1)g,方向豎直向上.
(2)桿第一次落地的速度大小為v1,
由動(dòng)能定理得,2mgH=$\frac{1}{2}$2m${v}_{1}^{2}$-0,
解得:v1=$\sqrt{2gH}$,
桿彈起后的加速度為a′,
根據(jù)牛頓第二定律可得,mg+kmg=ma′,
解得:a′=(k+1)g,方向豎直向下,
從落地經(jīng)時(shí)間t1達(dá)到共同速度,
則有:v1-at1=-v1+a′t1,
解得:t1=$\frac{2{v}_{1}}{a+{a}^{′}}$=$\frac{2{v}_{1}}{(k-1)g+(k+1)g}$=$\frac{{v}_{1}}{kg}$,
共同速度為:${v}_{1}^{′}$=v1-at1=v1-(k-1)g×$\frac{{v}_{1}}{kg}$=$\frac{{v}_{1}}{k}$,
桿上升的高度:h1=v1t1-$\frac{1}{2}$a′${t}_{1}^{2}$=$\frac{(k-1)H}{{k}^{2}}$,
所以桿第二次落地時(shí)的速度:
v2=$\sqrt{v{′}_{1}^{2}+2g{h}_{1}}$=$\sqrt{\frac{2gH}{k}}$,方向豎直向下.
(3)經(jīng)過(guò)足夠長(zhǎng)的時(shí)間桿和環(huán)最終靜止,
設(shè)這一過(guò)程中它們相對(duì)滑動(dòng)的總路程為l,
由能量的轉(zhuǎn)化和守恒定律有:
mgH+mg(H+l)=kmgl,
解得:l=$\frac{2H}{k-1}$,
則摩擦力對(duì)環(huán)和棒做的總功:
W=-kmgl=-$\frac{2kmgH}{k-1}$.
答:(1)環(huán)的加速度為(k-1)g,方向豎直向上;
(2)桿與地面第二次碰撞前的瞬時(shí)速度為$\sqrt{\frac{2gH}{k}}$,方向豎直向下;
(3)從斷開輕繩到桿和環(huán)靜止,摩擦力對(duì)環(huán)和桿做的總功為-$\frac{2kmgH}{k-1}$.

點(diǎn)評(píng) 本題考查功能關(guān)系以及牛頓第二定律的綜合應(yīng)用,屬于力學(xué)綜合問(wèn)題,注意:求摩擦力總功應(yīng)用能量的守恒來(lái)解決本題可以很簡(jiǎn)單的求出結(jié)果,
這樣既能夠簡(jiǎn)化解題的過(guò)程還可以節(jié)約寶貴的時(shí)間,所以在平時(shí)一定要考慮如何解題能夠簡(jiǎn)單快捷.

練習(xí)冊(cè)系列答案
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(3)如果已知電流表內(nèi)阻的準(zhǔn)確值,則開關(guān)應(yīng)接在b點(diǎn)測(cè)量沒有誤差,如果已知電壓表內(nèi)阻的準(zhǔn)確值,則開關(guān)應(yīng)接在a點(diǎn)測(cè)量沒有誤差.

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