题目内容

12.质量分别为MA=m,MB=m1,MC=M-m1的三个物体A、B、C依次自左向右静止在光滑水平面上的同一条直线上,B、C用一根劲度系数k为的弹簧连接.突然给A一个向右的初速度v,A与B发生碰撞后粘在一起继续沿三者所在直线向前运动并压缩弹簧.
(i)求碰撞过程中损失的机械能和弹簧的弹性势能最大值.
(ii)根据计算结果分析,一个质量为m的物体以一定的初速度跟另一个质量为M的静止的物体怎样碰撞损失的机械能最大?

分析 (i)A、B碰撞过程系统动量守恒,应用动量守恒定律可以求出碰撞后的速度.由功能关系求出损失的机械能;弹簧压缩量最大时,ABC速度相等,弹簧的弹性势能最大,A、B、C、弹簧组成的系统动量守恒、机械能守恒,应用动量守恒定律与机械能守恒定律可以求出弹簧的弹性势能.
(ii)结合以上的分析与功能关系即可做出判断.

解答 解:( i)滑块A与B碰撞后,共同速度为v1,以水平向右方向为正方向,
由动量守恒定律得:mv=(m+m1)v1,
所以:${v}_{1}=\frac{mv}{m+{m}_{1}}$
损失的机械能:$△{E}_{1}=\frac{1}{2}m{v}^{2}-\frac{1}{2}(m+{m}_{1}){v}_{1}^{2}$;
整理得:$△{E}_{1}=\frac{m{m}_{1}{v}^{2}}{2(m+{m}_{1})}$
在AB通过弹簧与C相互作用的过程中,四个物体组成的系统的动量在水平方向是守恒的,同时系统的机械能也守恒,当A、B、C速度相等时,弹簧具有最大弹性势能,
系统动量守恒,以向右为正方向,
由动量守恒定律得:(m+m1)v1=(m+m1+M-m1)v2,
得:${v}_{2}=\frac{mv}{m+M}$
由机械能守恒定律得:$\frac{1}{2}$(m+m1)v12=$\frac{1}{2}$(m+M)v22+EPm,
解得:EPm=$\frac{{m}^{2}{v}^{2}}{2}(\frac{1}{m+{m}_{1}}-\frac{1}{m+M})$;
(ii)根据以上的计算可知,当碰撞后两个物体的速度相等时,弹簧的弹性势能最大,所以在没有弹簧的情况下,质量为m的物体以一定的初速度跟另一个质量为M的静止的物体碰撞后黏在一起时,系统损失的机械能最大.
答:( i)碰撞过程中损失的机械能是$\frac{m{m}_{1}{v}^{2}}{2(m+{m}_{1})}$和弹簧的弹性势能最大值是$\frac{{m}^{2}{v}^{2}}{2}(\frac{1}{m+{m}_{1}}-\frac{1}{m+M})$;
(ii)质量为m的物体以一定的初速度跟另一个质量为M的静止的物体碰撞后黏在一起时,系统损失的机械能最大.

点评 本题考查了求速度与弹性势能问题,考查了动量守恒定律与机械能守恒定律的应用,分析清楚物体运动过程是解题的关键,应用动量守恒定律与机械能守恒定律可以解题.

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