Question

3．如圖所示，一個質(zhì)量為M長為L的圓管豎直放置，頂端塞有一個質(zhì)量為m的彈性小球，M=5m，球和管間的滑動摩擦力和最大靜摩擦力大小均為5mg．管從下端離地面距離為H處自由落下，運動過程中，管始終保持豎直，每次落地后向上彈起的速度與落地時速度大小相等，不計空氣阻力，重力加速度為g．求：
（1）管第一次落地彈起時管和球的加速度；
（2）管第一次落地彈起后，若球沒有從管中滑出，則球與管達到相同速度時，管的下端距地面的高度．

Answer 1

分析 （1）根據(jù)牛頓第二定律分別求出管反彈后，球和管的加速度．
（2）管自由下落，根據(jù)v₀²=2gH求出圓管底端落地前瞬間的速度．根據(jù)管上升的加速度，以及相對加速度分別求出管從碰地到它彈到最高點所需時間和管從碰地到與球相對靜止所需的時間，比較兩個時間知道球與管的運動情況，再根據(jù)運動學(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，管的加速度為：a₁=$\frac{5mg+f}{M}$=$\frac{5mg+5mg}{5m}$=2g，方向向下
球的加速度為：a₂=$\frac{f-mg}{m}$=$\frac{5mg-mg}{m}$=4g，方向向上．
（2）取豎直向下為正方向．球與管第一次碰地時速度 v₀=$\sqrt{2gH}$，方向向下．
碰地后管的速度大小 v₁=$\sqrt{2gH}$，方向向上；球的速度v₂=$\sqrt{2gH}$，方向向下
若球剛好沒有從管中滑出，設(shè)經(jīng)過時間t₁，球管速度v相同，
則有-v₁+a₁t₁=v₂-a₂t₁
解得 t₁=$\frac{2{v}_{0}}{{a}_{1}+{a}_{2}}$=$\frac{2\sqrt{2gH}}{4g+2g}$=$\frac{\sqrt{2gH}}{3g}$
又管從碰地到它彈到最高點所需時間t₂，則：t₂=$\frac{{v}_{0}}{{a}_{1}}$=$\frac{\sqrt{2gH}}{2g}$
因為t₁＜t₂，說明管在達到最高點前，球與管相對靜止，故管從彈起經(jīng)t₁這段時間上升的高度為所求．得：
h₁=v₁t₁-$\frac{1}{2}$a₁t₁²=$\sqrt{2gH}$•$\frac{\sqrt{2gH}}{3g}$-$\frac{1}{2}•2g•（\frac{\sqrt{2gH}}{3g}）^{2}$=$\frac{4}{9}$H
答：（1）管第一次落地彈起時管和球的加速度分別為2g方向豎直向下和4g方向豎直向上；
（2）管第一次落地彈起后，若球沒有從管中滑出，則球與管達到相同速度時，管的下端距地面的高度為$\frac{4}{9}$H．

點評 本題的難點在于管和球的運動情況難于判斷，關(guān)鍵通過計算理清球和管的運動規(guī)律，分析管和球之間的關(guān)系，如位移關(guān)系、速度關(guān)系，結(jié)合牛頓第二定律和運動學(xué)公式進行求解．