Question

在固定的光滑水平桿(桿足夠長)上，套有一個質量為m=0.5 kg的光滑金屬圓環.一根長為L=1 m的輕繩，一端拴在環上，另一端系著一個質量為M=2 kg的木塊,如圖4-3-14所示.現有一質量為m₀=20 g的子彈以v₀=1 000 m/s的水平速度射穿木塊，子彈穿出木塊后的速度為v=200 m/s(不計空氣阻力和子彈與木塊作用的時間)，試問：

圖4-3-14

(1)當子彈射穿木塊后，木塊向右擺動的最大高度為多大？

(2)當木塊第一次返回到最低點時，木塊的速度是多大？

(3)當木塊第一次返回到最低點時，水平桿對環的作用力是多大？

Answer 1

解析：（1）設子彈從木塊中穿出時木塊的速度為v₁

在子彈與木塊的相互作用過程中兩者動量守恒

m₀v₀=m₀v+Mv₁

解得v₁=8 m/s

在木塊與圓環一起向右運動的過程中，兩者滿足水平方向動量守恒

Mv₁=（M+m）v₂

機械能守恒Mv₁²=(M+m)v₂²+Mgh

解得h=0.64 m.

（2）木塊從最高點返回最低點的過程中，由水平方向動量守恒

得（M+m）v₂=mv₃+Mv₄

機械能守恒(M+m)v₂²+Mgh=mv₃²+Mv₄²

解得v₃=12.8 m/s  v₄=4.8 m/s

v₃=0  v₄=8 m/s（舍去）.

（3）第一次返回到最低點時，木塊的速度v₄=4.8 m/s，圓環的速度v₃=12.8 m/s

繩子拉力T₁-Mg=M

解得T₁=148 N

水平桿對環的作用力N₁=T₁+mg=153 N.

答案：(1)0.64 m  (2)4.8 m/s  (3)153 N