题目内容

17.如图,倾角θ=30°的足够长光滑固定斜面上,劲度系数为k的轻弹簧一端固定在斜面底端的挡板上,另一端连接在质量为m的物块A上.一根跨过光滑轻质定滑轮的细绳将物块A与质量也为m的物块B相连,A与滑轮之间的绳与斜面平行.用手托住物块B,使绳伸直但无拉力.重力加速度大小为g.现从静止突然释放物块B,求:
(1)物块B释放瞬间的加速度;
(2)物块B下落过程中的最大速度.

分析 (1)对B进行受力分析,然后由牛顿第二定律可以求出加速度a.
(2)A与B连在一起,当A的速度达到最大时,绳子的拉力与A的重力沿斜面向下的分力以及弹簧拉力的和相等时A的速度最大,由A的受力情况求出弹簧的形变量.由A、B及弹簧组成的系统机械能守恒求出B的最大速度.

解答 解:(1)未挂物块B时,对A受力分析得:kx1=mgsinθ
所以有:x1=$\frac{mg}{2k}$
弹簧处于压缩状态,挂上B瞬间,A刚开始运动,弹簧的弹力此瞬间仍为:kx1=$\frac{1}{2}$mg.
根据牛顿第二定律,以A为研究对象,得:T+kx1-mgsinθ=ma
以B为研究对象,得:mg-T=ma
联立解得:a=0.5g
(2)A、B的速度最大时A、B受到合力为零,此时对A有:T′-kx2-mgsinθ=0
对B有:mg-T′=0
可得:x2=$\frac{mg}{2k}$
即伸长了x2=$\frac{mg}{2k}$
A开始运动直到达到最大速度的过程中,A、B及弹簧组成的系统机械能守恒,因为过程的初末状态弹簧的形变量大小相等,所以弹簧的弹性势能相同.
A运动位移为:L=x1+x2=$\frac{mg}{k}$
由系统的机械能守恒得:mgL-mgLsinθ=$\frac{1}{2}×2m{v}_{m}^{2}$
解得:vm=$\sqrt{\frac{m{g}^{2}}{2k}}$
答:(1)物块B释放瞬间的加速度是0.5g;
(2)物块B下落过程中的最大速度是$\sqrt{\frac{m{g}^{2}}{2k}}$;

点评 本题是牛顿第二定律及机械能守恒定律的综合应用,关键要分析清楚物体的运动过程,选择研究对象,采用隔离法和整体法相结合方法研究加速度.根据系统的机械能守恒定律研究物体的最大速度.

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