Question

如圖所示，半徑為R、圓心為O的大圓環(huán)固定在豎直平面內，兩個輕質小圓環(huán)套在大圓環(huán)上．一根輕質長繩穿過兩個小圓環(huán)，它的兩端都系上質量為m的重物，忽略小圓環(huán)的大小。
（1）將兩個小圓環(huán)固定在大圓環(huán)豎直對稱軸的兩側θ=30°的位置上(如圖)．在-兩個小圓環(huán)間繩子的中點C處，掛上一個質量M=m的重物，使兩個小圓環(huán)間的繩子水平，然后無初速釋放重物M．設繩子與大、小圓環(huán)間的摩擦均可忽略，求重物M下降的最大距離．
（2）若不掛重物M．小圓環(huán)可以在大圓環(huán)上自由移動，且繩子與大、小圓環(huán)間及大、小圓環(huán)之間的摩擦均可以忽略，問兩個小圓環(huán)分別在哪些位置時，系統(tǒng)可處于平衡狀態(tài)? 

Answer 1

(1) 重物M下降的最大距離
(2)平衡時，兩小圓環(huán)在大圓環(huán)豎直對稱軸兩側角的位置上

(1)重物向下先做加速運動，后做減速運動，當重物速度為零時，下降的距離最大．設下降的最大距離為，由機械能守恒定律得

解得 
（另解h=0舍去）
(2)系統(tǒng)處于平衡狀態(tài)時，兩小環(huán)的可能位置為
a．兩小環(huán)同時位于大圓環(huán)的底端．
b．兩小環(huán)同時位于大圓環(huán)的頂端．
c．兩小環(huán)一個位于大圓環(huán)的頂端，另一個位于大圓環(huán)的底端．
d．除上述三種情況外，根據(jù)對稱性可知，系統(tǒng)如能平衡，則兩小圓環(huán)的位置一定關于大圓環(huán)豎直對稱軸對稱．設平衡時，兩小圓環(huán)在大圓環(huán)豎直對稱軸兩側角的位置上(如圖所示)．
對于重物，受繩子拉力與重力作用，有：
對于小圓環(huán)，受到三個力的作用，水平繩子的拉力、豎直繩子的拉力、大圓環(huán)的支持力.兩繩子的拉力沿大圓環(huán)切向的分力大小相等，方向相反

得,而，所以 。