Question

如圖7-7-5所示，離地高為H的物體A通過跨在定滑輪上的輕繩與放在光滑水平桌面上、質(zhì)量和A相同的物體B連接，由靜止開始下落和從同一高度單獨自由下落這兩種情況下，A離地面的高度h分別為多少時，它的動能與勢能相等？（設(shè)B沒有滑離桌面）

圖7-7-5

Answer 1

A物體動能與勢能相等時離地面的高度分別為和.

解析:

當(dāng)物體A單獨自由下落時，由于只有重力做功，A的機械能守恒.當(dāng)A通過繩子連接B后再下落時，若選A（包括地球）為研究對象，則繩對A的拉力是系統(tǒng)之外的力，而且該力對A做了功，則A的機械能不守恒；若以A、B連接體（包括地球）組成的系統(tǒng)為研究對象時，繩的拉力為內(nèi)力，且對A和B做功的代數(shù)和為零，B物體在豎直方向上所受的一對平衡力沒有做功，故該系統(tǒng)在運動過程中只有A的重力做功，滿足機械能守恒的條件.因此本題可運用機械能守恒定律求解：

取地面為零勢能參考平面，設(shè)A離地高度為h時，其動能等于勢能，則有

當(dāng)A物體單獨自由下落時，初始機械能為E₁=mgH，末態(tài)時機械能為，由機械能守恒E₂=E₁得mgH=2mgh.

所以

當(dāng)A通過繩子連接B后再由靜止下落時，設(shè)桌面高為H′，則初態(tài)系統(tǒng)的機械能為E₁=mgH+mgH′，末了狀態(tài)系統(tǒng)的機械能為，根據(jù)機械能守恒定律得E₂=E₁，即

將代入上式，解得

即兩種情況下，A物體動能與勢能相等時離地面的高度分別為和.