题目内容

如图所示,在倾角为θ = 30o 的光滑斜面的底端有一个固定挡板D,小物体C靠在挡板D上,小物体B与C用轻质弹簧拴接。当弹簧处于自然长度时,B在O点;当B静止时,B在M点,OM = l。在P点还有一小物体A,使A从静止开始下滑,A、B相碰后一起压缩弹簧。A第一次脱离B后最高能上升到N点,ON = 1.5 l。B运动还会拉伸弹簧,使C物体刚好能脱离挡板D。A、B、C的质量都是m,重力加速度为g。求
  (1)弹簧的劲度系数;
  (2)弹簧第一次恢复到原长时B速度的大小;
  (3)M、P之间的距离。


         

 解:(1)B静止时,弹簧形变量为l,弹簧产生弹力F=kl
  B物体受力如图所示,
                    
  根据物体平衡条件得
  kl =mgsinθ
  得弹簧的劲度系数k=
  (2)当弹簧第一次恢复原长时A、B恰好分离,设此时A、B速度的大小为v3
  对A物体,从A、B分离到A速度变为0的过程,根据机械能守恒定律得
  
  此过程中A物体上升的高度
  得
  (3)设A与B相碰前速度的大小为v1,A与B相碰后速度的大小为v2,M、P之间距离为x。对A物体,从开始下滑到A、B相碰的过程,根据机械能守恒定律得
  
  A与B发生碰撞,根据动量守恒定律得 m v1=(m+m)v2
  设B静止时弹簧的弹性势能为EP,从A、B开始压缩弹簧到弹簧第一次恢复原长的过程,根据机械能守恒定律得
  
  B物体的速度变为0时,C物体恰好离开挡板D,此时弹簧的伸长量也为l,弹簧的弹性势能也为EP。对B物体和弹簧,从A、B分离到B速度变为0的过程,根据机械能守恒定律得
  
  解得x=9l
  【说明】这是一道力学综合题。试题主要考查了物体的平衡、机械能守恒定律、动量守恒定律等知识。考查了学生的推理能力、应用能力。
  着重要分析物理情景。静止、碰撞、分离、C物体恰好脱离D等状态对应的受力、能量,都是解题时要重点分析的所在。
  尤其是A、B分离时的状态,是解决本题后两问的关键。A与B分离的条件是A、B间的相互作用力(弹力)等于零。在分离前,两者一起运动,速度和加速度都相同,A和B整体沿斜面方向受弹簧弹力和重力沿斜面方向分力而做减速运动,随弹簧形变的减小,加速度的大小也随之减小,B对A的作用力也减小,直到作用力变为零时,将要分离,分离时A的加速度大小为gsinθ,此时B的加速度大小也应为gsinθ,所以弹簧处于自然状态,即A与B在弹簧处于自然长度时分离。此后A和B的速度和加速度就不相同了。
  第(3)问中,对学生使用机械能守恒定律时要确定研究对象、确定始末状态,提出了较高的要求,目的是希望学习中对规律的使用要规范。
  对A物体,从开始下滑到A、B相碰的过程,根据机械能守恒定律得
  
  对A、B和弹簧,从A、B开始压缩弹簧到弹簧第一次恢复原长的过程,根据机械能守恒定律得
  
  对B物体和弹簧,从A、B分离到B速度变为0的过程,根据机械能守恒定律得
  


  本题难度:难

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