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【题目】如图所示,在光滑地面上静止地放置着两根质量均为,长度均为的匀质细杆,其中一杆由相等的两段构成,中间用光滑的铰链连接起来,两段在连接点可以弯折但不能分离.在两杆的一端,各施以相同的垂直于杆的水平冲量.试求两杆所获动能之比.

【答案】

【解析】

本题的求解方向是通过质心的动量定理与刚体的角动量定理,求得杆的质心速度及绕质心的角速度,进而求出杆由于这两个速度所具有的动能.

如图乙所示,设杆1在冲量作用下,质心获得的速度为,杆的角速度为,由质心的动量定理,得,由刚体的角动量原理,得

则杆1的动能为

.

图丙所示为杆2左、右两段的受力情况,当在杆2左端作用冲量时,在两段连接处,有一对相互作用的冲量,它们大小相等,方向相反.由于两段受力情况不同,各段的质心速度及角速度均不同,但在连接处,注意到不分离的条件,左段的右端与右段的左端具有相同的速度,现对两段分别运用动量定理和角动量定理.

对杆2左段,有

.

对杆2右段,有

.

由连接处不分离条件得左右两段的速度与角速度的关系是

.

由①②两方程组及③式可得

于是可计算杆2的动能为

.

易得12两杆的动能之比.

受力分析、过程与状态分析是我们解答试题时永远不可避免的过程.

对于第一种情况,一般都能作出正确处理,但对于第二种情况,对于铰接处的作用状态并不能好好把握,很多同学错误地认为铰接处的作用是沿杆方向的,或者沿杆的方向上存在一不为零的分量,从而出错.

本题求解中,一旦破解杆2左、右两段连接处的受力及速度关系,则全盘皆活.

练习册系列答案
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