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如图6-2-15(A)所示为一根竖直悬挂的不可伸长的轻绳,下端拴一小物块A,上端固定在C点且与一能测量绳的拉力的测力传感器相连。已知有一质量为m0的子弹B沿水平方向以速度v0射入A内(未穿透),接着两者一起绕C点在竖直面内做圆周运动。在各种阻力都可忽略的条件下测力传感器测得绳的拉力F随时间t的变化关系如图(B)所示。已知子弹射入的时间极短,且图(B)中t=0为A、B开始以相同速度运动的时刻。根据力学规律和题中(包括图)提供的信息,对反映悬挂系统本身性质的物理量(例如A的质量)及A、B一起运动过程中的守恒量,你能求出哪些定量的结果?

6-2-15

提示:子弹B沿水平方向以速度v0射入A内(未穿透),两者将获得一个共同速度v1,v1和v0的关系为m0v0=(m0+m1)v1,式中m是A的质量。

答案

解析:根据图象可以直接得到A、B共同做圆周运动的周期和在最高点和最低点的绳子的拉力,根据牛顿运动定律可以列出方程。又因为A、B共同运动时遵循机械能守恒定律,根据机械能守恒定律可以找出最高点和最低点的速度关系。

解:由图(b)可直接看出,A、B一起做周期性运动,运动的周期T=2t0              ①

令m表示A的质量,l表示绳长,v 1表示B陷入A内时即t=0时A、B的速度(即圆周运动最低点的速度),v2表示运动到最高点时的速度,F1表示运动到最低点时绳的拉力,F2表示运动到最高点时绳的拉力,根据动量守恒定律,得

m0v0=(m0+m)v1                                                                     ②

在最低点和最高点处运用牛顿定律可得

F1-(m+m0)g=(m+m0)

                                                       ③

F2+(m+m0)g=(m+m0)

                                                      ④

根据机械能守恒定律可得

2l(m+m0)g=

(m+m0)v12-(m+m0)v22                                    

由图(b)可知F2=0                                                            ⑥

 F1=Fm                                                                                         

由以上各式可解得,反映系统性质的物理量是m=

-m0                     

l=

                                                                  ⑨

A、B一起运动过程中的守恒量是机械能E,若以最低点为势能的零点,则

E=

(m+m0)v12                                                                           

由②⑧⑩式解得 E=

g。

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