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最后得
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方法二:对软绳整体,据(2.34)式,沿竖直朝下方向,有
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也得上述结果.
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例14 足够高的桌面上开一小孔,长L、质量M的均匀细杆竖直穿过小孔,一半在孔的上方.细杆下端有一质量m<M的小虫,小虫正下方的地面上有一支点燃的蜡烛,如图2-39所示.设开始时细杆、小虫均处于静止状态,而后在系统自由释放后的瞬间,小虫以相对细杆恒定的速度v向上爬行,且在到达小孔前始终未离开杆.
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图 2-39
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(1)小虫为避免被蜡烛烧伤,v可取的最小值v0多大?
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(2)小虫取v0相对细杆向上爬行,爬到小孔处相对桌面的速度vm多大?
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解 小虫相对于细杆向上爬行实为变速运动,题文取平均,模型化为匀速运动.按此模型,在初速为零的自由落体参考系中,小虫与细杆在开始后的极短时间内形成相对速度v后,两者间便无相对加速度,因此便无相互作用力.还原到地面系,这可等效为开始时小虫借助细杆向上跳跃,获得向上初速度vm(0),极短时间内系统动量守恒,细杆获得向下的初速度vM(0).而后,小虫、细杆分别作上抛、下落运动.
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小虫为到孔位,vm(0)似乎可小到,但需注意,题文规定“在到达小孔前始终未离开杆”.vm(0)过小,小虫上行时间过长,下落的细杆有可能在此时间内其顶部已落在小孔之下,这将不符合题文要求.
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(1)在极短时间内略去重力冲量,如上所述系统动量守恒,可得
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小虫相对细杆的匀速度便为
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为使小虫到达孔位前未离开细杆,至少要求细杆顶端恰好也落到孔位.设所经时间为t,则有
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由此解得的v就是题文要求的v0,为
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(2)取v0,小虫相对地面的上抛初速度为
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