题目内容

3.如图所示,水平桌面上的弹簧劲度系数为k,一端固定在竖直墙壁上,另一端与一质量为m的物体(可看成质点)相连接,物体与水平面间的动摩擦因数为μ,现推动物体将弹簧从原长压缩x0后静止释放,科学研究表明弹簧的弹性势能与弹簧伸长量的关系为Ep=$\frac{1}{2}$kx2,假设最大静摩擦力等于滑动摩擦力,重力加速度为g,求物体在水平面上运动过程中
(1)当弹簧压缩量为x0时弹簧储存弹性势能Ep为多少?
(2)若弹簧能恢复原长,则弹簧首次恢复原长时物体的速度v为多大?
(3)物体可能通过路程的范围.

分析 (1)根据Ep=$\frac{1}{2}$kx2,求解弹簧储存弹性势能Ep.
(2)弹簧首次恢复原长时,由能量守恒求解物体的速度v.
(3)对全过程使用动能定理即可解答.

解答 解:(1)当弹簧压缩量为x0时弹簧储存弹性势能 Ep=$\frac{1}{2}$kx02.
(2)从释放到弹簧首次恢复原长,由能量守恒可得:
   Ep=μmgx0+$\frac{1}{2}m{v}^{2}$
解得 v=$\sqrt{\frac{k{x}_{0}^{2}}{m}-2μg{x}_{0}}$
(3)若物体最终停在原长位置,物体运动的路程最大,由能量守恒得:Ep=μmgs最大
解得:s最大=$\frac{k{x}_{0}^{2}}{2μmg}$
若物体最终停在弹簧弹力等于最大摩擦力的位置,物体运动的路程最小,则得:Ep=μmgs最小+$\frac{1}{2}k{x}^{2}$
又 x=$\frac{μmg}{k}$
解得:s最小=$\frac{k{x}_{0}^{2}}{2μmg}$-$\frac{μmg}{2k}$
物体可能通过路程的范围为:$\frac{k{x}_{0}^{2}}{2μmg}$-$\frac{μmg}{2k}$≤s≤$\frac{k{x}_{0}^{2}}{2μmg}$.
答:
(1)当弹簧压缩量为x0时弹簧储存弹性势能Ep为$\frac{1}{2}$kx02.
(2)若弹簧能恢复原长,则弹簧首次恢复原长时物体的速度v为$\sqrt{\frac{k{x}_{0}^{2}}{m}-2μg{x}_{0}}$.
(3)物体可能通过路程的范围为:$\frac{k{x}_{0}^{2}}{2μmg}$-$\frac{μmg}{2k}$≤s≤$\frac{k{x}_{0}^{2}}{2μmg}$.

点评 本题是信息题,首先要读懂得题意,知道弹性势能与弹簧的形变量的关系.其次要把握能量是如何转化的,运用能量守恒定律解答.

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