Question

3．如圖所示，一個(gè)質(zhì)量為M=0.4kg，長為L=0.45m的圓管豎直放置．頂端塞有一個(gè)質(zhì)量為m=0.1kg的彈性小球，球和管間的滑動(dòng)摩擦力和最大靜摩擦力大小均為4N．管從下端離地面距離為H=0.45處自由落下，運(yùn)動(dòng)過程中，管始終保持豎直，每次落地后向上彈起的速度與落地時(shí)速度大小相等，不計(jì)空氣阻力，取重力加速度g=10m/s²．求：
（1）管第一次落地彈起時(shí)管和球的加速度；
（2）假設(shè)管第一次落地彈起過程中，球沒有從管中滑出，求球與管剛達(dá)到相對(duì)靜止時(shí)，管的下端離地面的高度．

Answer 1

分析 （1）根據(jù)v₀²=2gH求出圓管底端落地前瞬間的速度．根據(jù)牛頓第二定律分別求出管反彈后，球和管的加速度，從而得知球相對(duì)于管的加速度，以管為參考系，根據(jù)速度位移公式求出球相對(duì)于管靜止時(shí)的相對(duì)位移，即可求解．
（2）根據(jù)管上升的加速度，以及相對(duì)加速度分別求出管從碰地到它彈到最高點(diǎn)所需時(shí)間和管從碰地到與球相對(duì)靜止所需的時(shí)間，比較兩個(gè)時(shí)間知道球與管的運(yùn)動(dòng)情況，再根據(jù)運(yùn)動(dòng)學(xué)公式求出管上升的最大高度．

解答 解：（1）管第一次落地彈起時(shí)，管的加速度${a}_{1}=\frac{4mg+4mg}{4m}=2g$=20m/s²，
方向向下
球的加速度${a}_{2}=\frac{f-mg}{m}=30m/{s}^{2}$，方向向上
（2）取豎直向下為正方向．球與管第一次碰地時(shí)速度${v}_{0}=\sqrt{2gH}=3m/s$，方向向下．
碰地后管的速度${v}_{1}=\sqrt{2gH}=3m/s$，方向向上；球的速度${v}_{2}=\sqrt{2gH}=3m/s$，方向向下
若球剛好沒有從管中滑出，設(shè)經(jīng)過時(shí)間t₁，球管速度v相同，則有-v₁+a₁t₁=v₂-a₂t₁${t}_{1}=\frac{2{v}_{0}}{{a}_{1}+{a}_{2}}=0.12s$
又管從碰地到它彈到最高點(diǎn)所需時(shí)間t₂，則：${t}_{2}=\frac{{v}_{0}}{{a}_{1}}=0.15s$
因?yàn)閠₁＜t₂，說明管在達(dá)到最高點(diǎn)前，球與管相對(duì)靜止，故管從彈起經(jīng)t₁這段時(shí)間上升的高度為所求．得${h}_{1}={v}_{1}t-\frac{1}{2}{{a}_{1}t}_{1}^{2}$=0.22m
答：（1）管第一次落地彈起時(shí)管和球的加速度分別為20m/s²和30m/s²；
（2）假設(shè)管第一次落地彈起過程中，球沒有從管中滑出，求球與管剛達(dá)到相對(duì)靜止時(shí)，管的下端離地面的高度為0.22m

點(diǎn)評(píng) 本題的難點(diǎn)在于管和球的運(yùn)動(dòng)情況難于判斷，關(guān)鍵通過計(jì)算理清球和管的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，結(jié)合牛頓第二定律和運(yùn)動(dòng)學(xué)公式進(jìn)行求解