问题标题:
在长为l的轻质杆两端分别固定着质量为m和M的两个均质小球,设M>m,杆可绕位于中点的水平轴在竖直平面内转动,开始时用手托住M使杆静止在水平位置(如下图),释放后,求当杆转至竖
问题描述:
在长为l的轻质杆两端分别固定着质量为m和M的两个均质小球,设M>m,杆可绕位于中点的水平轴在竖直平面内转动,开始时用手托住M使杆静止在水平位置(如下图),释放后,求当杆转至竖直位置时两球的速度和转轴O所受作用力(杆与转轴的摩擦等阻力不计)。
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刘朝晖回答:
【分析】两球均做圆周运动,此时杆对m做正功,对M做负功,两球的机械能不守恒,而两球组成的系统受重力与O点的作用力,但O点的力不做功,所以系统的机械能守恒,由机械能守恒定律可求出两球到竖直位置时的速度。
n分别对两球进行受力分析,由圆周运动向心力公式可求得杆对两球的作用力,因为是轻杆,所以m对杆的作用力是向上、向下还是为零,需要进行分析。
设转至竖直位置时两球的速度为v,以最低处为零势能位置,
n由机械能守恒得:
n
n所以:
n
n因此杆转至竖直位置的瞬间两球所需向心力分别为:
n
n
n杆对小球M的作用力肯定指向转轴,其值:
n
n杆对小球m的作用力的大小与方向决定于mg与的大小。
n当时,(背离转轴);
n当时,(指向转轴);
n当时,。
n根据牛顿第三定律,细杆在竖直位置的受力情况如下图,有三种可能,所以转轴O所受作用力分别为:
n
n(方向向下)
n
n(方向向下)
n(方向向下)
【点评】两球组成的系统,在运动中除动能和势能外没有其他形式的能转化(增加或减少),所以系统的机械能守恒。
n本题的难点在于分析m与杆的作用力,这是轻杆模型的巧妙应用,有学生常常忽略这一点,造成漏解。
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