题目内容
直立轻弹簧的下端与水平地面上质量为M=0.20kg的甲木块连接,轻弹簧上端静止于A点(如图1),再将质量也为M=0.20kg乙木块与弹簧的上端连接,当甲、乙及弹簧均处于静止状态时,弹簧上端位于B点(如图2)。现向下用力压乙,当弹簧上端下降到C点时将弹簧锁定,C、A两点间的距离为△l=0.06m。一个质量为m=0.10kg的小球丙从距离乙正上方h=0.45m处自由落下(如图3),当丙与乙刚接触时,弹簧立即被解除锁定,丙与乙发生弹性碰撞(碰撞时间极短),碰撞后立即取走小球丙,乙将在竖直方向做简谐振动。已知当甲第一次刚离开地面时乙的速度为v=2.0m/s。求
(1)丙与乙发生弹性碰撞后各自的速度v乙、v丙 ;
(2)从弹簧被解除锁定至甲第一次刚离开地面时,弹簧弹性势能的改变量。(g=10m/s2)
(1)设丙自由下落h时速度为,根据自由落体运动规律
m/s ①
解除锁定后,乙与丙发生弹性碰撞,设碰后乙、丙的速度分别为,
根据动量守恒定律 ②
根据动能守恒 ③
联立①②③解得 (舍去) ④
(2)碰后,乙立即以m/s的速度从C点向下运动,从此时起直到甲第一次刚离开地面的时间内,乙在自身重力和弹簧弹力的共同作用下以B点为平衡位置做简谐运动(如图)。
当乙第一次回到平衡位置B时,弹簧相对原长的压缩量(图2)
⑤
当甲第一次刚离开地面时,弹簧相对原长的伸长量(图4)
⑥
由于甲第一次刚离开地面时乙的速度为v=2.0m/s,v和等大反向,所以根据简谐振动的对称性可知 ⑦
故 cm ⑧
从碰撞结束至甲第一次刚离开地面时,对于乙和弹簧组成的系统,动能变化量为
根据功能关系,系统重力势能的增加量等于弹性势能的减少量
⑨
重力势能的增加量 ⑩
所以弹簧弹性势能的减少量为 J