题目内容

如图所示,绝缘挡板P固定在倾角为θ的绝缘斜面上,质量分别为m1、m2的小物块A和B均可视为质点,且均带有+q的电量,两物块由绝缘的轻弹簧相连,一不可伸长的绝缘轻绳跨过滑轮,一端与B连接,另一端连接一轻质小钩.整个装置处在电场强度大小为E、方向平行于斜面向下的匀强电场中,A、B最初静止.已知弹簧的劲度系数为k,不计一切摩擦及A、B间的库仑力,且B不会碰到滑轮,重力加速度为g.
(1)若在小钩上挂一质量为M但不带电的物块C,并由静止释放,恰好能使物块A离开挡板P,则C下落的距离是多少?
(2)若物块C的质量改为2M,并由静止释放,则当A刚离开挡板P时B的速度是多大?
分析:(1)初始状态弹簧处于压缩状态,形变量为 x1,物块A恰好能离开挡板P时,对挡板P的压力恰为零,根据胡克定律此时弹簧的伸长量x2,两者之和也就是C物体的下降距离.
(2)若C的质量改为2m,则当A刚离开挡板P时,弹簧的伸长量仍为x2,但此时A物体静止但B、C两物体的速度相等且不为零,此过程中C物体重力势能减少量等于B物体机械能和电势能的增量、弹簧弹簧弹性势能增量及系统动能的增量之和.
解答:解:(1)开始时弹簧被压缩的形变量为x1,由平衡条件:kx1=EqB+m2gsinθ
设当A刚离开档板时弹簧被拉伸的形变量为x2,由平衡条件:kx2=qAE+m1gsinθ
故C下降的最大距离为:h=x1+x2
由①~③式可解得h=
E
k
(qA+qB)+
(m1+m2)gsinθ
k

(2)由能量守恒定律可知:
当C的质量为M时:Mgh=qBEh+m2g?hsinθ+△E弹
当C的质量为2M时,设A刚离开挡板时B的速度为v:2Mgh=qBEh+m2g?hsinθ+△W弹+
1
2
(2M+mB)v2

解得A刚离开P时B的速度为:v=
2Mgh
2M+m2
=
2Mg
2M+m2
?
E
k
(qA+qB)+
(m1+m2)gsinθ
k

答:
(1)物块C下落的最大距离为h=
E
k
(qA+qB)+
(m1+m2)gsinθ
k
;
(2)当A刚离开挡板P时,B的速度为v=
2Mg
2M+m2
?
E
k
(qA+qB)+
(m1+m2)gsinθ
k
.
点评:本题过程较繁杂,涉及功能关系多,有弹性势能、电势能、重力势能等之间的转化,全面考察了学生综合分析问题能力和对功能关系的理解及应用,难度较大.对于这类题目在分析过程中,要化繁为简,即把复杂过程,分解为多个小过程分析,同时要正确分析受力情况,弄清系统运动状态以及功能关系.
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