如图,长为L=0.2m、质量为M=2kg的圆柱形木棒竖直放置,在其顶部套有质量为m=1kg的薄铁环,现让棒和环一起从高h=0.8m处自由落体.(g=10m/s2)
(1)若棒与地面碰撞后不反弹而停下来,环恰能滑落到棒的最下端,求环棒间的摩擦力大小;
(2)在(1)问所受摩擦力的情况下,若棒与地面碰撞后原速率反弹,第一次与地面碰撞后的运动过程中,环就能脱离棒.求棒至少应从多高处开始下落;
(3)在(1)问所受摩擦力的情况下,若棒与地面碰撞后原速率反弹,求棒的下端至少离地面多高,才能使环最终恰好能滑落到棒的最下端.
网友回答
解:(1)整体自由下落:???①
v1=4m/s
环后来受二力作用匀减速至0:?②
mg-f=-ma????③
解得:f=50N
(2)环受二力作用向下匀减速,杆受二力作用向上匀减速,
当两者速度相等、相对位移为L时,即脱离;v0相对=v-(-v)=2?v??④
a相对=-a2-a1=-35-40=-75m/s2⑤
0-v02相对=-2?a相对L??????????????????????????????⑥
解得:v=m/s
又:v2-0=2gh′⑦
有h′=m=0.375m.
(3)一对摩擦力所做的功等于系统能量的减小
由能量关系有:-fL=0-[(m+M)ghmin+mgL]⑧
hmin=.
答:(1)环棒间的摩擦力大小为50N.
(2)棒至少应从0.375m高处开始下落.
(3)棒的下端至少离地面0.267m,才能使环最终恰好能滑落到棒的最下端.
解析分析:(1)根据自由落体运动的规律求出棒和环落地的速度大小,结合牛顿第二定律和运动学公式求出环棒间的摩擦力的大小.
(2)环受二力作用向下匀减速,杆受二力作用向上匀减速,抓住两者速度相等,相对位移等于L求出棒子落地的速度,结合速度位移公式求出下落的高度.
(3)根据一对摩擦力所做的功等于系统能量的减小,通过能量守恒定律求出下落的高度.
点评:本题综合考查了牛顿第二定律和运动学公式,以及能量守恒定律,综合性较强,对学生的能力要求较高,是一道难题.