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15分)如图所示,B是质量为mB、半径为R的光滑半球形碗,放在光滑的水平桌面上.A是质量为mA的细长直杆,被固定的光滑套管C约束在竖直方向,A可自由上下运动.碗和杆的质量关系为:mB 2mA.初始时,A杆被握住,使其下端正好与碗的半球面的上边缘接触(如图).然后从静止开始释放AAB便开始运动.设A杆的位置用θ 表示,θ 为碗面的球心Ο A杆下端与球面接触点的连线方向和竖直方向之间的夹角.求AB速度的大小(表示成θ 的函数).

答案

由题设条件知,若从地面参考系观测,则任何时刻,A沿竖直方向运动,设其速度为vAB沿水平方向运动,设其速度为vB.若以B为参考系,从B观测,则A杆保持在竖直方向,它与碗的接触点在碗面内作半径为R的圆周运动,速度的方向与圆周相切,设其速度为VA.杆相对地面的速度是杆相对碗的速度与碗相对地面的速度的合速度,速度合成的矢量图如图中的平行四边形所示.由图得

                (1)

               (2)

因而

                        (3)

由能量守恒                         

               (4)

(3)(4) 两式及

                          (5)

                (6)

评分标准:

本题(15)分.(1)、(2)式各3分,(4)式5分,(5)、(6)两式各2分.

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