题目内容

16.如图,在距地面高为H=0.5m的光滑桌面左端有一固定竖直板,板上固定一弹簧,在桌面上有一块很薄的长为L=0.5m的木板,木板的左端固定有竖直挡板(和木块一起运动),木板和该挡板的总质量为M=2kg,在木板上紧靠挡板放置一质量为m=1kg的小木块,小木块与木板之间的摩擦因数为μ=0.1.在桌面右端固定有一很矮的粘板,其高度略低于长木板的厚度,当长木板撞到粘板上时,速度立即变为0.在距桌面右端S=1m处有一高为h=0.3m、水平长度为L0=0.2m的挡网.用长木板将弹簧压缩,并用细绳固定.(弹簧右端与长木板不粘连,长木板右端距桌面右端足够远,g=10m/s2) 现烧断绳子,长木板和小木块一起被弹出,则:
(1)若最终小木块停在长木板最右端,则烧断绳时弹簧储存的弹性势能是多大?
(2)若要使小木块最终落在挡网上,则弹簧的弹性势能需在什么范围内?

分析 (1)长木板M撞到粘板后,m在M上向右做匀减速运动,结合弹簧储存的弹性势能等于m和M的初始动能即可正确求解.
(2)先求出离开桌面的速度,再据平抛运动知识和动能定理求解即可.

解答 解:
(1)弹簧弹开后,m与M一起向右做匀速直线运动,设速度大小为 v0,M撞到粘板后,m在M上向右做匀减速运动,并离开M.由动能定理有:
$0-\frac{1}{2}m{v}_{0}^{2}=-μmgL$
所以:${v}_{0}^{2}=2μgL$
弹簧储存的弹性势能等于m和M的初始动能,即:
${E}_{P}=\frac{1}{2}(M+m){v}_{0}^{2}=μ(M+m)gL$
代入数据得:EP=1.5J
(2)若m刚好落在网的底端,m离开木板后做平抛运动的初速度为v1,则有:
$H=\frac{1}{2}g{t}_{1}^{2}$
S=v1t1
所以:${v}_{1}=S\sqrt{\frac{g}{2H}}$
代入数据得:${v}_{1}=\sqrt{10}$m/s
弹簧弹开时,m和M的速度为vmin,对m在M上运动的过程有:
$\frac{1}{2}m{v}_{1}^{2}-\frac{1}{2}m{v}_{min}^{2}=-μmgL$
所以:${v}_{min}^{2}={v}_{1}^{2}+2μgL$
弹簧的弹性势能最小值为:EPmin=16.5J
若m刚好落在网的顶端,则:$H-h=\frac{1}{2}g{t}_{2}^{2}$
S+L=${v}_{2}{t}_{2}^{2}$
所以:${v}_{2}=(S+{L}_{0})•\sqrt{\frac{g}{2(H-h)}}=6$m/s
这时弹簧弹开时,m和M的速度为vmax,对m在M上运动的过程有:
$\frac{1}{2}m{v}_{2}^{2}-\frac{1}{2}m{v}_{max}^{2}=-μmgL$
弹簧的弹性势能最大值为:EPmax=55.5J
所以,弹簧弹性势能应在下列范围内:16.5J<EP<55.5J
答:(1)若最终小木块停在长木板最右端,则烧断绳时弹簧储存的弹性势能是1.5J
(2)若要使小木块最终落在挡网上,则弹簧的弹性势能需满足16.5J<EP<55.5J.

点评 该题属于单物体多过程的情况,明确金属块的运动情况是解题的关键,灵活应用动能定理、运动学公式和平抛运动的知识是解题的关键,此题运动过程较复杂,难度较大.

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