如图所示,竖直光滑的杆子上套有一滑块A,滑块通过细绳绕过光滑滑轮连接物块B,B又通过一轻质弹簧连接物块C,C静止在地面上.开始用手托住A,使绳子刚好伸直处于水平位置但无张力,现将A由静止释放,当速度达到最大时,C也刚好同时离开地面,此时B还没有到达滑轮位置.已知:mA=1.2kg,mB=1kg,mc=1kg,滑轮与杆子的水平距离L=0.8m.试求:
(1)弹簧的劲度系数
(2)A、B的最大速度是多少.
(1)当A速度达到最大时,即加速度等于0的时候,此时C也刚好同时离开地面,那么对B和C整体分析只有绳子拉力和重力,因此此时绳子拉力
T=mBg+mCg=2×10N=20N
A下降过程受力分析如图
当A的速度最大加速度等于0时,即Tcosθ=mAg,计算得:θ=53°
假设A下降的高度为h,则根据几何关系可得:tanθ=
,L h
带入得:h=
L=0.6m3 4
根据几何关系如上图,A下降0.6m时定滑轮到A的距离为 s=
=1mL sin53°
那么绳子拉长的长度也就是B上升的高度就是hB=s-L=0.2m
初始状态,绳子无张力,对B分析有kx1=mBg,弹簧的压缩量 x1=10 k
末状态,C刚好离开地面,对C分析有kx2=mCg,即弹簧的伸长量 x2=10 k
根据几何关系得:x1+x2=hB
代入计算得:2×
=0.210 k
解得 k=100N/m
(2)由第二问可知,初状态弹簧压缩x1=
=0.1m和末状态弹簧拉伸x2=10 k
=0.1m,弹簧弹性势能没有变化,那么在此过程中ABC和弹簧组成的系统机械能守恒,有10 k
Ep=mBg(x1+x2)-mAgh+
mB1 2
+v 2B
mA1 2
+Ep v 2A
有几何关系可得AB的速度关系有 vAcosθ=vB
带入计算得vA=
m/s,vB=2 15 3
m/s,2 15 5
答:
(1)弹簧的劲度系数为100N/m.
(2)A、B的最大速度分别是
m/s、2 15 3
m/s.2 15 5