第34届全国中学生物理竞赛复赛理论考试试题解答
2017年9月16日
一、（40分）一个半径为r、质量为m的均质实心小圆柱被置于一个半径为R、质量为M的薄圆筒中，圆筒和小圆柱的中心轴均水平，横截面如图所示。重力加速度大小为g。试在下述两种情形下，求小圆柱质心在其平衡位置附近做微振动的频率： （1）圆筒固定，小圆柱在圆筒内底部附近作无滑滚动； （2）圆筒可绕其固定的光滑中心细轴转动，小圆柱仍在圆筒内
R 底部附近作无滑滚动。 解： （1）如图，?为在某时刻小圆柱质心在其横截面上到圆筒中心轴的垂线与竖直方向的夹角。小圆柱受三个力作用：重力，圆筒对小圆柱的支持力和静摩擦力。设圆筒对小圆柱的静摩擦力大小为F，方向沿两圆柱切点的切线方向（向右为正）。考虑小圆柱质心的运动，由质心运动定理得
F?mgsin??ma ①
式中，a是小圆柱质心运动的加速度。由于小圆柱与圆筒间作无滑滚动，小圆柱绕其中心轴转过的角度?1（规定小圆柱在最低点时?1?0）与?之间的关系为
?? R??r(?1??) ②
R 由②式得，a与?的关系为
d2?1d2? a?r2?(R?r)2 ③
dtdt考虑小圆柱绕其自身轴的转动，由转动定理得
d2?1 ?rF?I2 ④
dt式中，I是小圆柱绕其自身轴的转动惯量
1 I?mr2 ⑤
2由①②③④⑤式及小角近似
sin??? ⑥ 得
?1 d2?2g ???0 ⑦ 2dt3(R?r)由⑦式知，小圆柱质心在其平衡位置附近的微振动是简谐振动，其振动频率为
1g ⑧
π6(R?r)（2）用F表示小圆柱与圆筒之间的静摩擦力的大小，?1和?2分别为小圆柱与圆筒转过的角度（规定小圆柱相对于大圆筒向右运动为正方向，开始时小圆柱处于最低点位置?1??2?0）。
f?对于小圆柱，由转动定理得
2?12?d?1 ?Fr??mr?2 ⑨
?2?dt对于圆筒，同理有
d2?2 FR?(MR)2 ⑩
dt由⑨⑩式得
d2?1d2?2?21? ?F????r2?R2 ?
dtdt?mM?设在圆柱横截面上小圆柱质心到圆筒中心轴的垂线与竖直方向的夹角?，由于小圆柱与圆筒间做无滑滚动，有
R??r(?1??)?R?2 ? 由?式得
d2?d2?1d2?2 (R?r)2?r2?R2 ?
dtdtdt设小圆柱质心沿运动轨迹切线方向的加速度为a，由质心运动定理得 F?mgsin??ma ? 由?式得
d2? a?(R?r)2 ?
dt由????式及小角近似sin???，得
d2?2M?mg ???0 ?
dt23M?mR?r由?式可知，小圆柱质心在其平衡位置附近的微振动是简谐振动，其振动频率为
2 f?12M?mg ?
2π3M?mR?r
评分参考：第（1）问20分，①②式各3分，③式2分，④式3分，⑤⑥式各2分，⑦式3分，⑧式2分；第（2）问20分，⑨⑩?式各2分，?式3分，???式各2分，?式3分，?式2分。 二、（40分）星体P（行星或彗星）绕太阳运动的轨迹为圆锥曲线
k r? P C 1??cos?式中，r是P到太阳S的距离，r ?是矢径SP相对于极轴SA的??A B 夹角（以逆时针方向为正），
S L2RE , L是P相对于太阳k?2GMmD 的角动量，
G?6.67?10?11m3?kg?1?s?2为引力常量，M?1.99?1030kg为太阳的质量， 2EL2??1?223为偏心率，m和E分别为P的质量和机械能。假设有一颗彗星绕太阳运
GMm动的轨道为抛物线，地球绕太阳运动的轨道可近似为圆，两轨道相交于C、D两点，如图所示。已知地球轨道半径RE?1.49?1011m，彗星轨道近日点A到太阳的距离为地球轨道半径的三分之一，不考虑地球和彗星之间的相互影响。求彗星 （1）先后两次穿过地球轨道所用的时间； （2）经过C、D两点时速度的大小。
xdx23/21/2已知积分公式???x?a??2a?x?a??C，式中C是任意常数。
x?a3解：
（1）由题设，彗星的运动轨道为抛物线，故
??1, E?0 ① 彗星绕太阳运动的轨道方程为：
k r? ②
1?cos? 彗星绕太阳运动过程中，机械能守恒
12L2&? mr?V?r??E?0 ③ 22mr2式中
Mm V?r???G ④
r当彗星运动到近日点A时，其径向速度为零，设其到太阳的距离为rmin，由③式得 L2Mm ⑤ ??V?rmin??G22mrminrmin由⑤式和题给条件得
L2RE ⑥ ?r?min2GMm23由③式得
dr2GML2??22 dtrmr或
dr dt? ⑦
22GML?22rmr设彗星由近日点A运动到与地球轨道的交点C所需的时间为?t，对⑦式两边积分，并利用⑥式得
REREdr1rdr ?t?? ⑧ ?RE?2rmin2GMR2GML3r?E?223rmr对⑧式应用题给积分公式得
RE1rdr?t? RE2GM?3REr?31 ?2GM3/21/2?2?RE?2RE?RE????RE????RE??? ⑨ 3333??????32103RE ?27GM由对称性可知，彗星两次穿越地球轨道所用的时间间隔为
32203RE T?2?t? ⑩
27GM将题给数据代入⑩式得
T?6.40?106s ? （2）彗星在运动过程中机械能守恒
1GMm mv2??E?0 ?
2r式中v是彗星离太阳的距离为r时的运行速度的大小。由?式有
2GM ? r当彗星经过C、D处时
rC?rD?RE ? 由??式得，彗星经过C、D两点处的速度的大小为
2GM vC?vD? ?
RE v?由?式和题给数据得
vC?vD?4.22?104m/s ?
评分参考：第（1）问28分，①式4分，②式2分，③式4分，④式2分，⑤式4分，⑥⑦⑧⑨⑩?式各2分；第（2）问12分，?式4分，????式各2分。
三、（40分）一质量为M的载重卡车A的水平车板上载有一质量为m的重物B，在水平直公路上以速度v0做匀速直线运动，重物与车厢前壁间的距离为L（L?0）。因发生紧急情况，卡车突然制动。已知卡
车车轮与地面间的动摩擦因数和最大静摩擦因数均为?1，重物与车厢底板间的动摩擦因数和最大静摩擦因数均为?2（?2??1）。若重物与车厢前壁发生碰撞，则假定碰撞时间极短，碰后重物与车厢前壁不分开。重力加速度大小为g。
（1）若重物和车厢前壁不发生碰撞，求卡车从制动开始到卡车停止的过程所花的时间和走过的路程、重物从制动开始到重物停止的过程所花的时间和走过的路程，并导出重物B与车厢前壁不发生碰撞的条件；
（2）若重物和车厢前壁发生碰撞，求卡车从制动开始到卡车和重物都停止的过程所经历的时间、卡车走过的路程、以及碰撞过程中重物对车厢前壁的冲量。 解：
（1）若重物和车厢前壁不发生碰撞。
卡车在水平直公路上做匀减速运动，设其加速度大小为a1。由牛顿第二定律有
?1(M?m)g??2mg?Ma1 ①
由①式得
a1?BLA?1M?(?1??2)mMg
由匀减速运动公式，卡车从制动开始到静止时所用的时间t1和移动的距离s1分别为
22v0v0Mv0v0M? t1??，s1? ② 2a1?1M?(?1??2)m2ga1?1M?(?1??2)mg重物B在卡车A的车厢底板上做匀减速直线运动，设B相对于地面的加速度大小为a2。
由牛顿第二定律有
?2mg?ma2 ③
由③式得
a2??2mgm??2g
从卡车制动开始到重物对地面速度为零时所用的时间t2和重物移动的距离s2分别为 vv t2?v0?v0， s2?0?0 ④
2a22?2ga2?2g22由于?2??1，由②④二式比较可知，t2?t1，即卡车先停，重物后停。 若s2?s1?L，重物B与车厢前壁不会发生碰撞，因此不发生碰撞的条件是
222v0v0(?1??2)(M?m)v0?? L?s2?s1? ⑤ 2a22a1?2[?1M?(?1??2)m]2g（2）由⑤式知，当满足条件
2(?1??2)(M?m)v0 L?s2?s1?
2?2[?1M?(?1??2)m]g时，重物B与车厢前壁必定发生碰撞。
设从开始制动到发生碰撞时的时间间隔为t，此时有几何条件
s2(t)?s1(t)?L ⑥
这里又可分为两种情况：t2?t?t1（重物在卡车停下后与车厢前壁发生碰撞）和t?t1（重物在卡车停下前与车厢前壁发生碰撞）。
（i）t2?t?t1，即卡车A在t1时停下，重物B继续运动，在t时与车厢前壁发生碰撞。
卡车停下的时间和向前滑动的距离是②给出的t1和s1，同时重物相对于地面向前滑动的距离是
1??v0t1?a2t12s22 ⑦ 2M?M(2?1??2)?2m(?1??2)?v0 ?2g??1M?(?1??2)m?2重物相对于车厢向前滑动的距离是
22M?M(2?1??2)?2m(?1??2)?v0v0M??s1?s2?2g?1M?(?1??2)m2g??1M?(?1??2)m?2
?(?1??2)(M?m)Mv??1M?(?1??2)m?22g20
如果
s?， 2?s1?L?s2?s1即当
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