一个半径为0.5米的均匀木球,密度为0.65,在离水面0.8米处自由下落(球心和水面的距离)。经历如下的三个阶段,第一,空气中的自由下落,第二,部分侵入水中的下沉,第三,全部侵入水中的下沉。为简单起见,仅仅考虑木球在水中受到浮力而不考虑其他的复杂因素。试确定三个阶段经历的时间和运动的距离。
时间: 2023-05-29 14:01:17 浏览: 176
Python解决抛小球问题 求小球下落经历的距离之和示例
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第一阶段:空气中自由下落
根据重力加速度公式,重力加速度g=9.8 m/s²,球的质量m=0.65*4/3*π*(0.5)³=0.68 kg。
根据自由落体公式,下落距离h=0.5*g*t²,其中t为时间。
根据题意,离水面的距离为0.8米,因此第一阶段的时间为:
0.8 = h = 0.5*g*t₁²
t₁ = √(1.6/9.8) ≈ 0.56秒
第一阶段的下落距离为:
h₁ = 0.5*g*t₁² ≈ 0.15米
第二阶段:部分侵入水中的下沉
当木球落入水中时,会受到浮力。根据阿基米德原理,浮力的大小等于物体排开液体的体积乘以液体的密度,即F = Vρg。
在水中的一部分木球体积被排开,体积V = πr²h₂,其中h₂为木球浸入水中的深度。
浮力F = Vρg = πr²h₂ρg
由于木球在水中受到的浮力等于重力的大小,有:
F = πr²h₂ρg = mg
解得侵入水中的深度为:
h₂ = m/πr²ρg ≈ 0.5米
因此第二阶段的下沉距离为:
h₂ - h₁ ≈ 0.35米
第二阶段的时间为:
根据等加速度运动公式,下落距离h₂ = 0.5g(t₂-t₁)²,其中t₂为第二阶段的时间。
联立上式、木球的质量和受到的浮力,解得第二阶段的时间为:
h₂ = 0.5g(t₂-t₁)² + πr²(h₂-h₁)ρg
t₂ = t₁ + √(2(h₂-h₁)/g) ≈ 0.94秒
第三阶段:全部侵入水中的下沉
当木球完全侵入水中时,浮力的大小等于木球的重量,因此木球的下降速度会减少。
根据等加速度运动公式,经过时间t₃后下落距离为:
h₃ - h₂ = 0.5g(t₃-t₂)²
并且该时间段内木球的速度为:
v₃ = (h₃ - h₂) / (t₃ - t₂) = 0.5g(t₃-t₂)
对于下落速度已经减小的情况,我们可以用牛顿第二定律来描述其运动,即F = ma,其中F为合外力,m为物体质量,a为加速度。
此时合外力包括重力和浮力,因为木球受到的浮力等于重力,所以合外力为0,即木球处于静止状态。
因此第三阶段的运动距离为:
h₃ - h₂ = 0.5g(t₃-t₂)² = 0
第三阶段的时间为:
因为木球处于静止状态,所以t₃ = t₂ ≈ 0.94秒
综上所述,三个阶段的时间和运动距离为:
第一阶段:0.56秒,下落距离0.15米
第二阶段:0.94秒,下沉距离0.35米
第三阶段:0.94秒,下降距离0米
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