题目内容

(2011?海淀区模拟)如图所示,在足够长的光滑水平轨道上有三个小木块A、B、C,质量分别为mA、mB、mC,且mA=mB=1.0kg,mC=2.0kg,其中B与C用一个轻弹簧拴接在一起,开始时整个装置处于静止状态.A和B之间有少许塑胶炸药,A的左边有一个弹性挡板.现在引爆塑胶炸药,若炸药爆炸产生的能量中有E=9.0J转化为A和B的动能,A和B分开后,A恰好在B、C之间的弹簧第一次恢复到原长时追上B,并且与B发生碰撞后粘在一起.忽略小木块和弹性挡板碰撞过程中的能量损失.求:
(1)塑胶炸药爆炸后瞬间A与B的速度各为多大?
(2)在A追上B之前弹簧弹性势能的最大值;
(3)A与B相碰以后弹簧弹性势能的最大值.
分析:(1)炸药爆炸时,A、B分离,该过程中A、B动量守恒,爆炸产生的能量转化为A、B的动能,依据动量守恒和功能关系可正确解答.
(2)爆炸后,以B、C弹簧组成的系统为研究对象,系统水平方向动量守恒,当弹簧压缩最短时弹性势能最大,A、B速度相等,系统损失动能最大,损失的动能全部转化为弹性势能.
(3)A反弹后,当A与B碰撞瞬动量守恒,碰后成为一个整体,损失能量最大,然后以A、B、C三者以及弹簧组成的系统为研究对象,系统动量守恒,当三者速度相等时,损失动能最大,全部转化为弹性势能.
解答:解:(1)塑胶炸药爆炸瞬间取A和B为研究对象,假设爆炸后瞬间A、B的速度大小分别为vA、vB,取向右为正方向,由动量守恒定律:
mBvB-mAvA=0             
爆炸产生的热量有9J转化为A、B的动能,有:E=
1
2
mA
v
2
A
  +
1
2
mB
v
2
B

代入数据解得:vA=vB=3.0 m/s    
故塑胶炸药爆炸后瞬间A与B的速度为:vA=vB=3.0 m/s. 
(2)由于A在炸药爆炸后再次追上B的时候弹簧恰好第一次恢复到原长,则在A追上B之前弹簧已经有一次被压缩到最短(即弹性势能最大).爆炸后取B、C和弹簧为研究系统,当弹簧第一次被压缩到最短时B、C达到共速vBC,此时弹簧的弹性势能最大,设为Ep1.
由动量守恒定律,得:mBvB=(mB+mC)vBC     
由机械能守恒,得:
1
2
mB
v
2
B
=
1
2
(mB+mC)  
v
2
BC
+EP1
          
代入数据得:EP1=3.0 J.   
故在A追上B之前弹簧弹性势能的最大值为EP1=3.0 J.   
(3)设B、C之间的弹簧第一次恢复到原长时B、C的速度大小分别为vB1和vC1,则由动量守恒定律和能量守恒定律:
mBvB=mBvB1+mCvC1
1
2
mB
v
2
B
=
1
2
mB
v
2
B1
+
1
2
mC 
v
2
c1

代入数据解得:vB1=-1.0m/s,vC1=2.0m/s                      
A爆炸后先向左匀速运动,与弹性挡板碰撞以后速度大小不变,反向弹回.当A追上B,发生碰撞瞬间达到共速vAB,由动量守恒定律
mAvA+mBvB1=(mA+mB)vAB
解得:vAB=1.0m/s                              
当A、B、C三者达到共同速度vABC时,弹簧的弹性势能最大为EP2,由动量守恒定律
(mA+mB)vAB+mCvC1=(mA+mB+mC)vABC         
由机械能守恒定律,得:
1
2
(mA+mB)  
v
2
AB
+
1
2
mC
v
2
C1
=
1
2
(mA+mB+mC) 
v
2
ADC
+EP2

代入数据解得:EP2=0.5J.
故A与B相碰以后弹簧弹性势能的最大值为:EP2=0.5J.
点评:本题考查了与弹簧有关的动量、能量问题,有一定综合性,易错点在于A反弹后与B碰撞过程中有能量损失,很多学生容易忽略这点,导致错误.
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