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題目:
一質(zhì)量為m的小球從高為H處自由下落,進(jìn)入一豎直放置的半徑為R的圓柱形容器中,容器內(nèi)充滿密度為p的液體,已知小球在容器中運(yùn)動(dòng)時(shí)受到的阻力大小恒為f,求小球在容器中運(yùn)動(dòng)的時(shí)間。
答案:
1. 小球自由下落時(shí),根據(jù)自由落體運(yùn)動(dòng)規(guī)律,可求得小球到達(dá)容器底部的速度。
2. 小球在容器中受到重力、阻力和支持力三個(gè)力的作用,根據(jù)牛頓第二定律可求得小球在容器中運(yùn)動(dòng)的加速度。
3. 根據(jù)自由落體運(yùn)動(dòng)規(guī)律和牛頓第二定律,可求得小球在容器中運(yùn)動(dòng)的時(shí)間。
解題過程:
1. 小球自由下落時(shí),根據(jù)自由落體運(yùn)動(dòng)規(guī)律有:
H = 1/2gt^2 (1)
其中g(shù)為重力加速度。
解得t = sqrt(2H/g)
2. 當(dāng)小球進(jìn)入容器后,受到重力、阻力和支持力三個(gè)力的作用,設(shè)小球受到的合力為F,則有:
F = mg - f - psinθ (2)
其中θ為液體對(duì)小球的傾斜角度。
根據(jù)牛頓第二定律有F = ma,其中a為小球在容器中運(yùn)動(dòng)的加速度。
解得a = sqrt(F^2 - m^2g^2)/m - f/m = sqrt(p(g^2 - sinθ)) - g
3. 根據(jù)自由落體運(yùn)動(dòng)規(guī)律有:
H + R = 1/2at^2 (3)
其中t為小球在容器中運(yùn)動(dòng)的時(shí)間。
將(1)式和(2)式代入(3)式可得:
t = sqrt((gH + Rp)/g^2 - 2Rp/g + Rsinθ) + sqrt((gH + Rp)/g^2 - 2Rp/g)
其中第一個(gè)sqrt表示的是阻力f的存在使得時(shí)間變長(zhǎng)的情況,而第二個(gè)sqrt表示的是阻力f不存在的情況。
注意:本題需要求解的是時(shí)間,因此需要將時(shí)間作為最終答案輸出。同時(shí)需要注意阻力的存在可能會(huì)使得時(shí)間變長(zhǎng),因此需要將這個(gè)因素考慮進(jìn)去。