题目内容

19.如图甲所示,在水平地面上固定一倾角为30°的光滑斜面,一劲度系数k=100N/m的轻质弹簧其下端固定在斜面底端,整根弹簧足够长且处于自然状态,质量为m=2.0kg的滑块从距离弹簧上端s0=0.35m处由静止释放.设滑块与弹簧接触过程系统没有机械能损失,弹簧始终处于弹性限度内,取重力加速度大小为g=10m/s2,规定滑块释放处为坐标原点,沿斜面向下为位移s正向.

(1)请在图乙所示的坐标纸上画出滑块位移在0.55m范围内,滑块加速度a随位移s变化的图象(即a-s图象);
(2)由a-s图象求出滑块下滑速度的最大值vm.

分析 (1)由牛顿第二定律求出s≤0.35m范围内的加速度大小,之后随着弹簧被压缩,滑块沿斜面向下的加速度逐渐减小,当弹簧弹力与mgsinθ相等时,物体加速度为0,之后加速度方向变化为沿斜面向上,当滑块滑到最下方时,物体速度为0,由机械能守恒计算出弹簧的压缩量,进而求出滑块的加速度大小;描点画图即可.
(2)物体速度最大时,为加速度为0时,由机械能守恒求出最大速度.

解答 解:(1)当滑块在s0范围内运动,由牛顿第二定律得,滑块加速度为:$a=\frac{mgsinθ}{m}=gsinθ=10×\frac{1}{2}=5m/{s}^{2}$
当滑块接触弹簧后,弹簧被压缩,滑块加速度逐渐减小,当加速度为0时,设弹簧形变为x,弹簧弹力和重力分力平衡,得
mgsinθ=kx
代入数据得:x=0.1m,即s=0.35+0.1=0.45m处加速度为0.
根据对称性得,当滑块静止时,加速度达到沿斜面向上的最大值,此时加速度大小am=-5m/s2,弹簧形变量为2x
即:s=0.35+0.2=0.55m处,加速度为am=-5m/s2,选点作图,如图所示

(2)滑块下滑速度最大时,加速度为0,即s=0.45m处,由机械能守恒定律得
mgh=$\frac{1}{2}m{v}_{m}+\frac{1}{2}k{x}^{2}$
代入数据解得:vm=2m/s.
答:(1)如上图;
(2)滑块下滑速度的最大值为2m/s.

点评 本题主要考查作图,注意把滑块运动各分段运动隔离分析,求出特殊位置加速度,描点连线即可做出图象.

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