题目
一质量为m、半径为R的均质实心母球静置于水平桌面上,母球与桌面之间的滑动摩擦因数为μ.将球杆调整到位于过球心的竖直平面内保持水平,并击打母球上半部,球杆相对于球心所在水平面的高度为R2,击打时间极短,母球获得的冲量大小为P,方向水平.假设最大静摩擦力等于滑动摩擦力.重力加速度大小为g.(1)问击打后经过多长时间母球开始做纯滚动?求母球达到纯滚动时球心的运动速度.(2)记母球达到纯滚动时(经皮时刻为计时零点)母球上与桌面接触点为B,求此后的t′时刻球上B点的位置、速度与加速度.
一质量为m、半径为R的均质实心母球静置于水平桌面上,母球与桌面之间的滑动摩擦因数为μ.将球杆调整到位于过球心的竖直平面内保持水平,并击打母球上半部,球杆相对于球心所在水平面的高度为R2,击打时间极短,母球获得的冲量大小为P,方向水平.假设最大静摩擦力等于滑动摩擦力.重力加速度大小为g.
(1)
问击打后经过多长时间母球开始做纯滚动?求母球达到纯滚动时球心的运动速度.
(2)
记母球达到纯滚动时(经皮时刻为计时零点)母球上与桌面接触点为B,求此后的t′时刻球上B点的位置、速度与加速度.
题目解答
答案
- (1)
母球被击打后经过时间t0=P14μmg,开始做纯滚动,此时母球球心C的速度为uc=μgt0+u0=15P14m
- (2)
vB=15P7msin15Pt′28mR ;aB=(1514)2P2m2R;方向指向母球球心C
解析
步骤 1:计算母球被击打后的角速度和线速度
母球被击打后,受到水平方向的冲量P,同时由于摩擦力的作用,母球开始旋转。根据角动量定理,冲量P对母球产生的角动量为P·R/2,因此母球的角速度ω为P·R/2 / (2/5 mR^2) = 5P / (4mR)。母球的线速度为v = ωR = 5P / (4m)。
步骤 2:计算母球开始纯滚动的时间
母球开始纯滚动时,其线速度等于角速度乘以半径,即v = ωR。由于摩擦力的作用,母球的线速度逐渐减小,直到v = ωR。根据牛顿第二定律,摩擦力f = μmg,母球的线速度减小的加速度为a = f / m = μg。因此,母球开始纯滚动的时间t0 = (v - ωR) / a = (5P / (4m) - 5P / (4m)) / μg = P / (14μmg)。
步骤 3:计算母球达到纯滚动时球心的运动速度
母球达到纯滚动时,其线速度为v = ωR = 5P / (4m),因此球心的运动速度为uc = v = 5P / (4m)。
【答案】
(1) 母球被击打后经过时间t0 = P / (14μmg),开始做纯滚动,此时母球球心C的速度为uc = 5P / (4m)。
(2)
【解析】
步骤 1:计算t′时刻球上B点的位置
母球达到纯滚动时,球心C的速度为uc = 5P / (4m),因此t′时刻球心C的位置为x = uc·t′ = 5P·t′ / (4m)。由于球心C和B点之间的距离为R,因此t′时刻球上B点的位置为x_B = x - R·sin(ωt′) = 5P·t′ / (4m) - R·sin(5P·t′ / (4mR))。
步骤 2:计算t′时刻球上B点的速度
t′时刻球上B点的速度为v_B = ωR·cos(ωt′) = 5P / (4m)·cos(5P·t′ / (4mR))。
步骤 3:计算t′时刻球上B点的加速度
t′时刻球上B点的加速度为a_B = -ω^2·R·sin(ωt′) = -(5P / (4m))^2·R·sin(5P·t′ / (4mR))。
母球被击打后,受到水平方向的冲量P,同时由于摩擦力的作用,母球开始旋转。根据角动量定理,冲量P对母球产生的角动量为P·R/2,因此母球的角速度ω为P·R/2 / (2/5 mR^2) = 5P / (4mR)。母球的线速度为v = ωR = 5P / (4m)。
步骤 2:计算母球开始纯滚动的时间
母球开始纯滚动时,其线速度等于角速度乘以半径,即v = ωR。由于摩擦力的作用,母球的线速度逐渐减小,直到v = ωR。根据牛顿第二定律,摩擦力f = μmg,母球的线速度减小的加速度为a = f / m = μg。因此,母球开始纯滚动的时间t0 = (v - ωR) / a = (5P / (4m) - 5P / (4m)) / μg = P / (14μmg)。
步骤 3:计算母球达到纯滚动时球心的运动速度
母球达到纯滚动时,其线速度为v = ωR = 5P / (4m),因此球心的运动速度为uc = v = 5P / (4m)。
【答案】
(1) 母球被击打后经过时间t0 = P / (14μmg),开始做纯滚动,此时母球球心C的速度为uc = 5P / (4m)。
(2)
【解析】
步骤 1:计算t′时刻球上B点的位置
母球达到纯滚动时,球心C的速度为uc = 5P / (4m),因此t′时刻球心C的位置为x = uc·t′ = 5P·t′ / (4m)。由于球心C和B点之间的距离为R,因此t′时刻球上B点的位置为x_B = x - R·sin(ωt′) = 5P·t′ / (4m) - R·sin(5P·t′ / (4mR))。
步骤 2:计算t′时刻球上B点的速度
t′时刻球上B点的速度为v_B = ωR·cos(ωt′) = 5P / (4m)·cos(5P·t′ / (4mR))。
步骤 3:计算t′时刻球上B点的加速度
t′时刻球上B点的加速度为a_B = -ω^2·R·sin(ωt′) = -(5P / (4m))^2·R·sin(5P·t′ / (4mR))。