在地面上方足够高的地方,存在一个高度d=0.5m的“相互作用区域”(下图中画有虚线的部分).一个小圆环A套在一根均匀直杆B上,A和B的质量均为m,若它们之间发生相对滑动时,会产生f=0.5mg的摩擦力.开始时A处于B的最下端,B竖直放置,A距“相互作用区域”的高度h=0.8m.让A和B一起从静止开始下落,只要A处于“相互作用区域”就会受到竖直向上、大小F=3mg的恒力作用,而“相互作用区域”对处于其中的杆B不产生作用力.杆B在下落过程中始终保持竖直,且杆的长度能够保证圆环A与杆不会分离.不计空气阻力,取g=10m/s2.求:
小题1:杆B的最下端刚进人“相互作用区域”时的速度;
小题2:圆环A通过“相互作用区域”所用的时间;
小题3:为保证圆环A在空中运动过程中始终与杆不会分离,杆的最小长度.
小题1:v1=4.0m/s
小题2:t=0.2s
小题3:
(1)设A和B一体静止下落至“相互作用区域”的速度为v1,则
(1分)
代入数据得 v1="4.0m/s " (1分)
(2) A在“相互作用区域”运动时,A受到重力mg、滑动摩擦力f和竖上向上的恒力F作用,设加速度aA、运动时间为t,根据牛顿第二定律有
(1分)
代入数据得 aA=-15m/s2
由位移公式有 (1分)
代入数据解得 t="0.2s " t′=0.33s(不符题意,舍去) (1分)
(3)设B在“相互作用区域”运动的加速度为aB,A刚离开“相互作用区域”时, 圆环A和直杆B的速度分别为vA和vB,则
,vB=v0+aBt,vA= v1+aAt (1分)
代入数据解得vA =1m/s,vB=5m/s
此过程二者相对滑动的距离
代入数据解得 (1分)
设A离开“相到作用区域”后二者相对滑动过程的时间为t′,A的加速度为,则
,vA+t′ =vB+aBt′ (1分)
二者相对滑动的距离
代入数据解得 t′="0.4s" , (1分)
则杆的最小长度 (1分)