题目内容

9.如图所示,在倾角为θ=30°的光滑斜面上有两个用轻弹簧相连接的物块A、B,它们的质量均为m,弹簧的劲度系数为k,C为一固定档板,系统处于静止状态.现开始用一沿斜面方向的力F拉物块A使之向上匀加速运动,当物块B刚要离开C时F的大小恰为2mg.问:
(1)从F开始作用到物块B刚要离开C的过程中弹簧弹力对物块A做的功.
(2)物块B刚要离开C时,物块A的动能.
(3)从F开始作用到物块B刚要离开C的过程中力F做的功.

分析 (1)(2)根据共点力平衡以及胡克定律求出未施加F时弹簧的压缩量,根据共点力平衡和胡克定律求出B刚要离开时弹簧的伸长量,通过牛顿第二定律求出A的加速度大小,通过位移时间公式求出从F开始作用到物块B刚要离开C的时间;根据v=at求出物块B刚要离开C时,物块A的速度,得到动能;
末态时弹簧的伸长量和F开始作用时的压缩量相同,弹簧的弹性势能改变量为零,根据功能关系列式求解即可;
(3)最后对全程由动能定理列式即可求解.

解答 解:(1)(2)令x1表示未加F时弹簧的压缩量,由胡克定律和牛顿定律可知:
mgsin30°=kx1
令x2表示B 刚要离开C时弹簧的伸长量,a表示此时A 的加速度,由胡克定律和牛顿定律可知:
kx2=mgsin30°
F-mgsin30°-kx2=ma
将F=2mg和θ=30°代入以上各式,解得:a=g
由x1+x2=$\frac{1}{2}$at2
解得:t=$\sqrt{\frac{2m}{k}}$
物块B刚要离开C时,物块A的速度为:
v=at=g$\sqrt{\frac{2m}{k}}$
故动能为:
${E}_{k}=\frac{1}{2}m{v}^{2}$=$\frac{m{g}^{2}}{k}$
此时弹簧的伸长量和F开始作用时的压缩量相同,弹簧的弹性势能改变量为零,故弹簧弹力做功为零;
(3)由动能定理得:
WF-mg(x1+x2)sin30°=$\frac{1}{2}$mv2
解得:WF=$\frac{3{m}^{2}{g}^{2}}{2k}$
答:(1)从F开始作用到物块B刚要离开C的过程中弹簧弹力对物块A做的功为零.
(2)物块B刚要离开C时,物块A的动能为$\frac{m{g}^{2}}{k}$.
(3)从F开始作用到物块B刚要离开C的过程中力F做的功为$\frac{3{m}^{2}{g}^{2}}{2k}$.

点评 本题综合考查了共点力平衡、胡克定律和牛顿第二定律,综合性较强,关键理清初末状态,结合动力学知识求解.

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