题目内容

(20分)如图甲所示,竖直放置轻弹簧下端与放在水平地面上的物块A相连,上端与物块B相连。物块C在B的正上方某处自由下落,与B碰后黏合在一起后继续下降。在物块C正上方放置一个速度传感器,以测定C下落的速度;在物块A的正下方放置一个压力传感器,以测量物块A对地面的压力FN,得到如图乙所示的―t和FN―t图,图中纵坐标上的FN1均为已知量。已知弹簧的劲度系数为,A、B、C三个物块的质量均相等且都可视为质点,重力加速度为g。

(1)每个物块的质量m;

(2)求从t1到t2时间内,B、C黏合体对弹簧做功的大小?

(3)为使B、C黏合体向上反弹到最大高度时,物块A对地面的压力恰好为零,则C物块开始下落时与B物块间的距离H应为多大?

解析

(1)设mA=mB=mC=m,由图象可知,在C未与B碰撞前,A对地面的压力为FN1,则有:

    (3分)

得:        (2分)                   

(2)由图象可知:在t2时刻,B、C的速度达到最大为,此时B、C所受合力为零,故t1到t2的过程中,B、C下移的距离为:  

         (2分)

由图可知C与B碰前的速度为,设物块B、C碰撞后黏合在一起的速度为,由动量守恒定律得:

        (2分)

则t1到t2的时间内,物块B、C对弹簧做的功为W,对B、C由动能定理得:

       (2分)

 可解得:      (2分)

(3)由于B与C碰前已压缩,当物块A对地的压力恰好为零时,弹簧的伸长量:,物块A对地的压力恰好为零时,物块B、C与它们刚碰撞时的高度差为:

          (2分)

物块B、C第一次刚以相同的速度向下运动时弹簧的弹性势能与物块A对地面压力为零时弹簧的弹性势能相等,对于B、C和弹簧组成的系统,由机械能守恒定律得:

       (1分)

设物块C开始下落时与B物块间的距离为H,C与B碰撞前的瞬时速度为,B与C碰后黏合在一起的速度为,有:

            (1分)

                (1分)

解得:           (2分)

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