题目
一根细绳跨过一光滑的定滑轮,一端挂一质量为m的物体,另一端被人用双手拉着,人的质量M=(1)/(2)m。若人相对于绳以加速度a_0向上爬,则人相对于地面的加速度(以竖直向上为正)是()A. (2a_0+g)/3B. a_0C. -(3g-a_0)D. -(2a_0+g)/3
一根细绳跨过一光滑的定滑轮,一端挂一质量为$m$的物体,另一端被人用双手拉着,人的质量$M=\frac{1}{2}m$。若人相对于绳以加速度$a_0$向上爬,则人相对于地面的加速度(以竖直向上为正)是()
A. $(2a_0+g)/3$
B. $a_0$
C. $-(3g-a_0)$
D. $-(2a_0+g)/3$
题目解答
答案
A. $(2a_0+g)/3$
解析
步骤 1:分析受力情况
人和物体分别受到重力和绳子的拉力。设绳子的拉力为$T$,人的加速度为$a$,物体的加速度为$a'$。由于绳子是不可伸长的,所以人和物体的加速度大小相等,方向相反,即$a=-a'$。
步骤 2:列出牛顿第二定律方程
对于人,根据牛顿第二定律,有$T-Mg=Ma$。
对于物体,根据牛顿第二定律,有$mg-T=ma'$。
由于$a=-a'$,可以将$a'$替换为$-a$,得到$mg-T=-ma$。
步骤 3:求解加速度
将两个方程联立求解,得到$T-Mg=Ma$和$mg-T=-ma$。将$M=\frac{1}{2}m$代入,得到$T-\frac{1}{2}mg=\frac{1}{2}ma$和$mg-T=-ma$。联立这两个方程,可以解出$a$。
将$T$消去,得到$\frac{1}{2}mg+\frac{1}{2}ma=mg-ma$,即$\frac{3}{2}ma=\frac{1}{2}mg$,从而得到$a=\frac{g}{3}$。
由于人相对于绳以加速度$a_0$向上爬,所以人相对于地面的加速度为$a+a_0=\frac{g}{3}+a_0$。
人和物体分别受到重力和绳子的拉力。设绳子的拉力为$T$,人的加速度为$a$,物体的加速度为$a'$。由于绳子是不可伸长的,所以人和物体的加速度大小相等,方向相反,即$a=-a'$。
步骤 2:列出牛顿第二定律方程
对于人,根据牛顿第二定律,有$T-Mg=Ma$。
对于物体,根据牛顿第二定律,有$mg-T=ma'$。
由于$a=-a'$,可以将$a'$替换为$-a$,得到$mg-T=-ma$。
步骤 3:求解加速度
将两个方程联立求解,得到$T-Mg=Ma$和$mg-T=-ma$。将$M=\frac{1}{2}m$代入,得到$T-\frac{1}{2}mg=\frac{1}{2}ma$和$mg-T=-ma$。联立这两个方程,可以解出$a$。
将$T$消去,得到$\frac{1}{2}mg+\frac{1}{2}ma=mg-ma$,即$\frac{3}{2}ma=\frac{1}{2}mg$,从而得到$a=\frac{g}{3}$。
由于人相对于绳以加速度$a_0$向上爬,所以人相对于地面的加速度为$a+a_0=\frac{g}{3}+a_0$。