Question

如圖所示，豎直放置的質(zhì)量為4m，長為L的圓管頂端塞有一個質(zhì)量為m的彈性圓球，球和管間的滑動摩擦力和最大靜摩擦力大小均為4mg．圓管從下端離地面距離為H處自由落下，落地后向上彈起的速度與落地時速度大小相等．求：
（1）圓管彈起后圓球不致滑落，L應(yīng)滿足什么條件．
（2）圓管上升的最大高度是多少？
（3）圓管第二次彈起后圓球不致滑落，L又應(yīng)滿足什么條件？

Answer 1

（1）取豎直向下的方向為正方向．
球與管第一次碰地前瞬間速度v0=

2gH

，方向向下．
碰地后的瞬間管的速度v管=-

2gH

，方向向上；球的速度v球=

2gH

，方向向下，
球相對于管的速度v相=2

2gH

，方向向下．
碰后，管受重力及向下的摩擦力，加速度a_管=2g，方向向下，
球受重力及向上的摩擦力，加速度a_球=3g，方向向上，
球相對管的加速度a_相=5g，方向向上．
取管為參照物，則球與管相對靜止前，球相對管下滑的距離為：s相1=

v 2相

2a

=

(2 2gH )2

2×5g

要滿足球不滑出圓管，則有L＞S相1=

4

5

H．
（2）設(shè)管從碰地到它彈到最高點所需時間為t₁（設(shè)球與管在這段時間內(nèi)摩擦力方向不變），則：t1=

- v 管

a管

=

2gH

2g

設(shè)管從碰地到與球相對靜止所需時間為t₂，t2=

- v 相

a相

=

2 2gH

5g

因為t₁＞t₂，說明球與管先達(dá)到相對靜止，再以共同速度上升至最高點，設(shè)球與管達(dá)到相對靜止時離地高度為h′，兩者共同速度為v′，分別為：v′=v管-a管t2=

1

5

2gH

h′=v管t2-

1

2

a管t2=

12

25

H
然后球與管再以共同速度v′作豎直上拋運動，再上升高度h″為h″=

v′2

2g

=

( 1 5 2gH )

2g

=

1

25

H
因此，管上升最大高度H’=h′+h″=

13

25

H
（3）當(dāng)球與管第二次共同下落時，離地高為

13

25

H，球位于距管頂

4

5

H處，同題（1）可解得在第二次反彈中發(fā)生的相對位移．
答：（1）圓管彈起后圓球不致滑落，L應(yīng)滿足大于

4

5

H的條件．
（2）圓管上升的最大高度是

13

25

H；
（3）圓管第二次彈起后圓球不致滑落，L又應(yīng)滿足條件是離地高為

13

25

H，球位于距管頂

4

5

H處．