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荡秋千是一项古老的运动,设某人的质量为m,身高为H,站立时重心离脚底H/2,蹲下时重心离脚底H/4,绳子悬挂点到踏板的绳长为6H,绳子足够柔软且不可伸长,绳子和踏板的质量不计,人身体始终与绳子保持平行,重力加速度为g.
(1)若该人在踏板上保持站式,由伙伴将其推至摆角θ0弧度,由静止释放,忽略空气阻力,求摆至最低点时绳中的拉力大小;
(2)若该人在踏板上保持站式,由伙伴将其推至摆角θ1弧度,由静止释放,摆至另一侧最大摆角为θ2弧度,设空气阻力大小恒定,作用点距离脚底为H/3,求空气阻力的大小.
(3)若该人在踏板上采取如下步骤:当荡至最高处时,突然由蹲式迅速站起,而后缓缓蹲下,摆至另一侧最高处时已是蹲式,在该处又迅速站起,之后不断往复,可以荡起很高.记此法可以荡起的最大摆角为θm 弧度,假设人的“缓缓蹲下”这个动作不会导致系统机械能的损耗,而且空气阻力大小和作用点与第(2)问相同,试证明:
θm
cosθm
=
θ1+θ2
44(cosθ2-cosθ1)
.
分析:(1)人在摆动过程中机械能守恒,根据机械能守恒定律列式求最低点速度,再根据重力和拉力的合力提供向心力列式求拉力;
(2)先计算出人从一侧最高点到另一侧最高点过程中机械能的减小量,然后根据大小恒定的变力做功的表达式W=FS计算出克服阻力做功等于阻力与路程的乘积;
(3)对人运动一个周期的过程进行分析,克服阻力做功等于阻力与路程的乘积,人做功补偿的机械能等于人站起而使重力势能增加的量,列方程求解.
解答:解:(1)设荡至最低点时速度为v,则由机械能守恒定律有
1
2
mv2=mg(6H-
H
2
)(1-cosθ0)

设拉力为F,则由牛顿第二定律
F-mg=m
v2
6H-
H
2

求得F=3mg-2cosθ0
即摆至最低点时绳中的拉力大小3mg-2cosθ0.
(2)全程损耗的机械能为
△E机=mg(6H-
H
2
)(cosθ2-cosθ1)

空气阻力做的功为
Wf=-f(6H-
H
3
)(θ1+θ2)

由功能关系有Wf=△E机
求得f=
33(cosθ1-cosθ2)
34(θ1+θ2)
mg

即空气阻力的大小为
33(cosθ1-cosθ2)
34(θ1+θ2)
mg
.
(3)在一个周期内,通过“迅速站起”获得的机械能(重力势能)是△E机=2mg(
H
2
-
H
4
)cosθ m

空气阻力做的功是Wf=-4f(6H-
H
3
)θm

由功能关系有Wf=△E机
求得
θm
cosθm
=
θ1+θ2
44(cosθ2-cosθ1)
,得证.
点评:本题关键是根据功能关系列方程求解,要注意阻力做的功等于阻力与路程的乘积.
练习册系列答案
相关习题

科目:高中物理 来源: 题型:

荡秋千是一项古老的运动,秋千是一块板用两根绳系在两个固定的悬点组成,设某人的质量为m,身高为H,站立时重心离脚底H/2,蹲下时重心离脚底H/4,绳子悬挂点到踏板的绳长为6H,绳子足够柔软且不可伸长,绳子和踏板的质量不计,人身体始终与绳子保持平行,重力加速度为g。

1.若该人在踏板上保持站式,由伙伴将其推至摆角θ0(单位:rad),由静止释放,忽略空气阻力,求摆至最低点时每根绳的拉力大小;

2.若该人在踏板上保持站式,由伙伴将其推至摆角θ1 (单位:rad),由静止释放,摆至另一侧最大摆角为θ2(单位:rad),设空气阻力大小恒定,作用点距离脚底为H/3,求空气阻力的大小。

3.若该人在踏板上采取如下步骤:当荡至最高处时,突然由蹲式迅速站起,而后缓缓蹲下,摆至另一侧最高处时已是蹲式,在该处又迅速站起,之后不断往复,可以荡起很高。用此法可以荡起的最大摆角为θm 弧度,假设人的“缓缓蹲下”这个动作不会导致系统机械能的损耗,而且空气阻力大小和作用点与第(2)问相同,试证明:。

 

 

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科目:高中物理 来源:2011-2012学年度浙江省桐乡市高三下学期二月模拟物理卷 题型:计算题

荡秋千是一项古老的运动,秋千是一块板用两根绳系在两个固定的悬点组成,设某人的质量为m,身高为H,站立时重心离脚底H/2,蹲下时重心离脚底H/4,绳子悬挂点到踏板的绳长为6H,绳子足够柔软且不可伸长,绳子和踏板的质量不计,人身体始终与绳子保持平行,重力加速度为g。
【小题1】若该人在踏板上保持站式,由伙伴将其推至摆角θ0(单位:rad),由静止释放,忽略空气阻力,求摆至最低点时每根绳的拉力大小;
【小题2】若该人在踏板上保持站式,由伙伴将其推至摆角θ1(单位:rad),由静止释放,摆至另一侧最大摆角为θ2(单位:rad),设空气阻力大小恒定,作用点距离脚底为H/3,求空气阻力的大小。
【小题3】若该人在踏板上采取如下步骤:当荡至最高处时,突然由蹲式迅速站起,而后缓缓蹲下,摆至另一侧最高处时已是蹲式,在该处又迅速站起,之后不断往复,可以荡起很高。用此法可以荡起的最大摆角为θm 弧度,假设人的“缓缓蹲下”这个动作不会导致系统机械能的损耗,而且空气阻力大小和作用点与第(2)问相同,试证明:。

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科目:高中物理 来源:2012届度浙江省桐乡市高三下学期二月模拟物理卷 题型:计算题

荡秋千是一项古老的运动,秋千是一块板用两根绳系在两个固定的悬点组成,设某人的质量为m,身高为H,站立时重心离脚底H/2,蹲下时重心离脚底H/4,绳子悬挂点到踏板的绳长为6H,绳子足够柔软且不可伸长,绳子和踏板的质量不计,人身体始终与绳子保持平行,重力加速度为g。

1.若该人在踏板上保持站式,由伙伴将其推至摆角θ0(单位:rad),由静止释放,忽略空气阻力,求摆至最低点时每根绳的拉力大小;

2.若该人在踏板上保持站式,由伙伴将其推至摆角θ1 (单位:rad),由静止释放,摆至另一侧最大摆角为θ2(单位:rad),设空气阻力大小恒定,作用点距离脚底为H/3,求空气阻力的大小。

3.若该人在踏板上采取如下步骤:当荡至最高处时,突然由蹲式迅速站起,而后缓缓蹲下,摆至另一侧最高处时已是蹲式,在该处又迅速站起,之后不断往复,可以荡起很高。用此法可以荡起的最大摆角为θm 弧度,假设人的“缓缓蹲下”这个动作不会导致系统机械能的损耗,而且空气阻力大小和作用点与第(2)问相同,试证明:。

 

 

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科目:高中物理 来源: 题型:

荡秋千是一项古老的运动,秋千是一块板用两根绳系在两个固定的悬点组成,设某人的质量为m,身高为H,站立时重心离脚底H/2,蹲下时重心离脚底H/4,绳子悬挂点到踏板的绳长为6H,绳子足够柔软且不可伸长,绳子和踏板的质量不计,人身体始终与绳子保持平行,重力加速度为g。

(1)若该人在踏板上保持站式,由伙伴将其推至摆角θ0(单位:rad),由静止释放,忽略空气阻力,求摆至最低点时每根绳的拉力大小;

(2)若该人在踏板上保持站式,由伙伴将其推至摆角θ1 (单位:rad),由静止释放,摆至另一侧最大摆角为θ2(单位:rad),设空气阻力大小恒定,作用点距离脚底为H/3,求空气阻力的大小。

(3)若该人在踏板上采取如下步骤:当荡至最高处时,突然由蹲式迅速站起,而后缓缓蹲下,摆至另一侧最高处时已是蹲式,在该处又迅速站起,之后不断往复,可以荡起很高。用此法可以荡起的最大摆角为θm 弧度,假设人的“缓缓蹲下”这个动作不会导致系统机械能的损耗,而且空气阻力大小和作用点与第(2)问相同,试证明:。

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