Question

【題目】如圖，足夠長的豎直光滑直桿固定在地面上，底部套有一個(gè)小環(huán)。在恒力F作用下，小環(huán)由靜止開始向上運(yùn)動(dòng)。F與直桿的夾角為60°，大小為小環(huán)重力的4倍。1s末撤去F。取地面為零勢(shì)能面。（g取10m/s2）求：

（1）1s末小環(huán)的速度大小；

（2）小環(huán)沿桿向上運(yùn)動(dòng)過程中，動(dòng)能等于勢(shì)能的所有位置離地面高度。

Answer 1

【答案】（1）10 m/s（2）h∈[0，5]m

【解析】

（1）對(duì)小環(huán)受力分析，畫受力示意圖；

選取水平方向和豎直方向?qū)?/span>F正交分解。

在豎直方向上，根據(jù)牛頓第二定律：Fcos60°-mg=ma

且F=4mg

∴ a=g=10 m/s2

∴ v=at=10 m/s

（2）在0~1s內(nèi)：設(shè)任意時(shí)刻小環(huán)離地面的高度為hx時(shí)，速度為vx，

此時(shí)的重力勢(shì)能是EP=mghx，動(dòng)能是。

若要滿足題設(shè)條件

由第（1）問可知 vx2=2ahx =2ghx 故滿足

所以在0~1s內(nèi)，小環(huán)上升過程的任意高度動(dòng)能都等于重力勢(shì)能。

1s末小環(huán)到達(dá)的高度

1s末撤去F之后，小環(huán)繼續(xù)上升過程中只受到重力作用，只有重力做功，滿足機(jī)械能守恒定律，動(dòng)能減少、重力勢(shì)能增加，故重力勢(shì)能總大于動(dòng)能。

綜上所述，小環(huán)沿桿向上運(yùn)動(dòng)過程中，動(dòng)能等于勢(shì)能的所有位置離地面高度h∈[0，5]m.