Question

【題目】圖1所示的蹦極運(yùn)動(dòng)是一種非常刺激的娛樂項(xiàng)目。為了研究蹦極過程，做以下簡(jiǎn)化：將游客視為質(zhì)點(diǎn)，他的運(yùn)動(dòng)沿豎直方向，忽略彈性繩的質(zhì)量和空氣阻力。如圖2所示，某次蹦極時(shí)，游客從蹦極平臺(tái)由靜止開始下落，到P點(diǎn)時(shí)彈性繩恰好伸直，游客繼續(xù)向下運(yùn)動(dòng)，能到達(dá)的最低位置為Q點(diǎn)，整個(gè)過程中彈性繩始終在彈性限度內(nèi)，且游客從蹦極平臺(tái)第一次下落到Q點(diǎn)的過程中，機(jī)械能損失可忽略。彈性繩的彈力大小可以用F=k·Δx來計(jì)算，式中k為常量，Δx為彈性繩的伸長(zhǎng)量。

圖1 圖2 圖3

（1）彈性繩的原長(zhǎng)為l0，彈性繩對(duì)游客的彈力為F，游客相對(duì)蹦極平臺(tái)的位移為x，取豎直向下為正方向，請(qǐng)?jiān)趫D3中畫出F隨x變化的示意圖；

（2）借助Fx圖像可以確定彈力做功的規(guī)律，在此基礎(chǔ)上，推導(dǎo)當(dāng)游客位移為x（x>l0）時(shí)，彈性繩彈性勢(shì)能EP的表達(dá)式；

（3）按照安全標(biāo)準(zhǔn)，該彈性繩允許的最大拉力Fm=4.3×103N，游客下落至最低點(diǎn)與地面的距離。已知l0=10m，k=100N/m，蹦極平臺(tái)與地面間的距離D=55m。取重力加速度g=10m/s2。試通過計(jì)算說明：總質(zhì)量M=160kg的游客能否被允許使用該蹦極設(shè)施。

Answer 1

【答案】（1） （2） （3）游客可以使用該蹦極設(shè)施

【解析】（1）彈性繩對(duì)游客的彈力F隨游客位移x變化關(guān)系的圖線如圖所示。

（2）在圖中，圖線與x軸所圍面積表示彈力F做的功，則在游客位移從l0變?yōu)?/span>x的過程中，彈力F做的功

所以彈性繩的彈性勢(shì)能

（3）設(shè)游客從蹦極平臺(tái)第一次到達(dá)最低點(diǎn)的距離為l，在此過程中，根據(jù)機(jī)械能守恒定律

解得或 （舍）

則（符合要求）

當(dāng)游客第一次到達(dá)最低點(diǎn)時(shí)，彈性繩的彈力最大，

此時(shí)彈性繩的彈力（符合要求）

所以該游客可以使用該蹦極設(shè)施。