Question

【題目】如圖所示，傾角 θ=37°的光滑且足夠長(zhǎng)的斜面固定在水平面上，在斜面頂端固定一個(gè)輪半徑和質(zhì)量不計(jì)的光滑定滑輪 D，質(zhì)量均為m=1kg 的物體A和B用一勁度系數(shù)k=240N/m 的輕彈簧連接，物體 B 被位于斜面底端且垂直于斜面的擋板P擋住。用一不可伸長(zhǎng)的輕繩使物體 A 跨過(guò)定滑輪與質(zhì)量為M的小環(huán)C連接，小環(huán)C穿過(guò)豎直固定的光滑均勻細(xì)桿，當(dāng)整個(gè)系統(tǒng)靜止時(shí)，環(huán)C位于Q處，繩與細(xì)桿的夾角α=53°，且物體B對(duì)擋板P的壓力恰好為零。圖中SD水平且長(zhǎng)度為d=0．2m，位置R與位置Q關(guān)于位置S對(duì)稱，輕彈簧和定滑輪右側(cè)的繩均與斜面平行�，F(xiàn)讓環(huán)C從位置R由靜止釋放，且環(huán)C在下落過(guò)程中繩始終未松弛。sin37°=0．6，cos37°=0．8，g 取 10m/s2。求：

（1）小環(huán) C 的質(zhì)量 M；

（2）小環(huán) C 通過(guò)位置 S 時(shí)的動(dòng)能 Ek及環(huán)從位置R運(yùn)動(dòng)到位置S的過(guò)程中輕繩對(duì)環(huán)做的功WT；

（3）小環(huán) C 運(yùn)動(dòng)到位置 Q 的速率 v．

Answer 1

【答案】（1）0．72kg（2）0．3J（3）2m/s

【解析】

試題分析：（1）先以AB組成的整體為研究對(duì)象，AB系統(tǒng)受到重力．支持力和繩子的拉力處于平衡狀態(tài)，則繩子的拉力為：T=2mgsinθ=2×10×sin37°=12N

以C為研究對(duì)象，則C受到重力、繩子的拉力和桿的彈力處于平衡狀態(tài)，如圖，則：Tcos53°=Mg

代入數(shù)據(jù)得：M=0．72kg

（2）由題意，開始時(shí)B恰好對(duì)擋板沒(méi)有壓力，所以B受到重力、支持力和彈簧的拉力，彈簧處于伸長(zhǎng)狀態(tài)；產(chǎn)生B沿斜面方向的受力： F1=mgsinθ=1×10×sin37°=6N

彈簧的伸長(zhǎng)量：△x1＝mgsinθ／k＝0．025m

當(dāng)小環(huán) C 通過(guò)位置 S 時(shí)Ａ下降的距離為xＡ＝＝0．05m

此時(shí)彈簧的壓縮量△x2=xＡ-△x1=0．025m

由速度分解可知此時(shí)A的速度為零,所以小環(huán)C從R運(yùn)動(dòng)到S的過(guò)程中,初末態(tài)的彈性勢(shì)能相等,對(duì)于小環(huán)C彈簧和A組成的系統(tǒng)機(jī)械能守恒有:

Mgdcotα+mgxＡsinθ=Ek

解得: Ek=1．38J

環(huán)從位置R運(yùn)動(dòng)到位置S的過(guò)程中,由動(dòng)能定理可知:WT+ Mgdcotα= Ek

解得: WT=0．3J

⑶環(huán)從位置R運(yùn)動(dòng)到位置Q的過(guò)程中,對(duì)于小環(huán)C、彈簧和A組成的系統(tǒng)機(jī)械能守恒

Mg．（2dcotα）= vA =vcosα

兩式聯(lián)立可得: v=2m/s