Question

（2011?江蘇）如圖所示，長為L、內(nèi)壁光滑的直管與水平地面成30°角固定放置．將一質(zhì)量為m的小球固定在管底，用一輕質(zhì)光滑細(xì)線將小球與質(zhì)量為M=km的小物塊相連，小物塊懸掛于管口．現(xiàn)將小球釋放，一段時(shí)間后，小物塊落地靜止不動(dòng)，小球繼續(xù)向上運(yùn)動(dòng)，通過管口的轉(zhuǎn)向裝置后做平拋運(yùn)動(dòng)，小球在轉(zhuǎn)向過程中速率不變．（重力加速度為g）
（1）求小物塊下落過程中的加速度大�。�
（2）求小球從管口拋出時(shí)的速度大��；
（3）試證明小球平拋運(yùn)動(dòng)的水平位移總小于

2

2

L．

Answer 1

分析：開始時(shí)小球沿斜面向上做勻加速，小物塊向下也做勻加速，兩者的加速度大小相等．對(duì)各自受力分析，運(yùn)用牛頓第二定律列出等式，解出方程．
小物塊落地靜止不動(dòng)，小球繼續(xù)向上做勻減速運(yùn)動(dòng)，對(duì)其受力分析，運(yùn)用牛頓第二定律解出此時(shí)的加速度（與前一階段加速度不等），結(jié)合運(yùn)動(dòng)學(xué)公式求出小球從管口拋出時(shí)的速度大�。�
運(yùn)用平拋運(yùn)動(dòng)的規(guī)律表示出小球平拋運(yùn)動(dòng)的水平位移，利用數(shù)學(xué)知識(shí)證明問題．

解答：解：（1）設(shè)細(xì)線中的張力為T，對(duì)小球和小物塊各自受力分析：

根據(jù)牛頓第二定律得：
對(duì)M：Mg-T=Ma
對(duì)m：T-mgsin30°=ma
且M=km
解得：a=

2k-1

2(k+1)

g
（2）設(shè)M落地時(shí)的速度大小為v，m射出管口時(shí)速度大小為v₀，M落地后m的加速度為a₀．
根據(jù)牛頓第二定律有：mgsin30°=ma₀
對(duì)于m勻加速直線運(yùn)動(dòng)有：v²=2aLsin30°
對(duì)于小物塊落地靜止不動(dòng)，小球m繼續(xù)向上做勻減速運(yùn)動(dòng)有：v²-v₀²=2a₀L（1-sin30°）
解得：v₀=

k-2 2(k+1) gL

（k＞2）
（3）平拋運(yùn)動(dòng)x=v₀t    Lsin30°=

1

2

gt² 
解得x=L

k-2 2(k+1)

因?yàn)?span id="1grcdrp" class="MathJye" mathtag="math" style="whiteSpace:nowrap;wordSpacing:normal;wordWrap:normal">

k-2

k+1

＜1，所以x＜

2

2

L，得證．
答：（1）求小物塊下落過程中的加速度大小是

2k-1

2(k+1)

g；
（2）求小球從管口拋出時(shí)的速度大小是

k-2 2(k+1) gL

；

點(diǎn)評(píng)：本題考查牛頓第二定律，勻加速運(yùn)動(dòng)的公式及平拋運(yùn)動(dòng)規(guī)律．
要注意第（2）問中要分M落地前和落地后兩段計(jì)算，因?yàn)閮啥蔚膍加速度不相等．
第（3）問中，因?yàn)?span id="ak6tnbz" class="MathJye" mathtag="math" style="whiteSpace:nowrap;wordSpacing:normal;wordWrap:normal">

k-2

k+1

＜1，所以x=L

k-2 2(k+1)

＜

2

2

L