Question

如圖，箱子A連同固定在箱子底部的豎直桿的總質(zhì)量為M=10kg．箱子內(nèi)部高度H=3.75m，桿長h=2.5m，另有一質(zhì)量為m=2kg的小鐵環(huán)B套在桿上，從桿的底部以v=10m/s的初速度開始向上運(yùn)動，鐵環(huán)B剛好能到達(dá)箱頂，不計空氣阻力，g取10m/s²．求：
（1）在鐵環(huán)沿著桿向上滑的過程中，所受到的摩擦力大小為多少？
（2）在給定的坐標(biāo)中，畫出鐵環(huán)從箱底開始上升到第一次返回到箱底的過程中箱子對地面的壓力隨時間變化的圖象（可寫出簡要推算步驟）
（3）若鐵環(huán)與箱底每次碰撞都沒有能量損失，求小環(huán)從開始運(yùn)動到最終停止在箱底，所走過的總路程是多少？

Answer 1

【答案】分析：（1）對小鐵環(huán)上升的過程運(yùn)用動能定理即可求解；
（2）第一次到達(dá)桿頂用時t₁，速度為v₁，第一次離開桿頂?shù)椒祷貤U頂用時t₂，第一次滑到桿底速度為v₂，在桿上滑下用時t₃
根據(jù)運(yùn)動學(xué)基本公式求出時間，再根據(jù)牛頓第二定律求出各時間段對應(yīng)的壓力，即可畫圖；
（3）先求出小環(huán)能升到桿頂所需要的能量和小環(huán)第一次滑到桿底的機(jī)械能，判斷是否能再次越過桿頂，再根據(jù)動能定理求出在桿上反復(fù)滑行的總路程即可求解．
解答：（1）對小鐵環(huán)上升的過程運(yùn)用動能定理得：
-mgH-fs=0-mv²
解得：f=10N
（2）第一次到達(dá)桿頂用時t₁，速度為v₁，第一次離開桿頂?shù)椒祷貤U頂用時t₂，
第一次滑到桿底速度為v₂，在桿上滑下用時t₃
v₁==5m/s
t₁==s
t₂==1s
由動能定理：mgH-fh=mv₂²
v₂=5m/s
t₃==（-1）s=0.41s
圖上畫出
對0～s：N₁=Mg-f=90N
s～s：N₂=Mg=100N
s～（+）s：N₃=Mg+f=110N
如下圖所示；
（2）小環(huán)能升到桿頂所需要的能量為：
E=mgh+fh=2×10×2.5+10×2.5=75J
小環(huán)第一次滑到桿底的機(jī)械能為E₂：E₂=mv²-2fh=50J
E₂＜E所以小環(huán)只能越過桿頂一次，
設(shè)小環(huán)在桿上反復(fù)滑行的總路程為s：
有動能定理得：
fs=
解得：s=10m
s_總=2（H-h）+s=12.5m
答：（1）在鐵環(huán)沿著桿向上滑的過程中，所受到的摩擦力大小為10N；
（2）如圖所示；
（3）小環(huán)從開始運(yùn)動到最終停止在箱底，所走過的總路程為12.5m．
點評：本題主要考查了動能定理的直接應(yīng)用，在第（3）問中要注意先判斷小環(huán)能離開桿頂幾次，鐵環(huán)與箱底每次碰撞都沒有能量損失，說明速度大小不變，方向相反，難度適中．