Question

如图所示，水平轨道AB与半径为R的竖直半圆形轨道BC相切于B点．质量为2m和m的a、b两个小滑块（可视为质点）原来静止于水平轨道上，其中小滑块a与一轻弹簧相连．某一瞬间给小滑块a一冲量使其获得的初速度向右冲向小滑块b，与b碰撞后弹簧不与b相粘连，且小滑块b在到达B点之前已经和弹簧分离，不计一切摩擦，求：
（1）a和b在碰撞过程中弹簧获得的最大弹性势能；
（2）小滑块b经过圆形轨道的B点时对轨道的压力；
（3）试通过计算说明小滑块b能否到达圆形轨道的最高点C．

Answer 1

【答案】分析：（1）碰撞过程动量守恒，当两球的速度相等时，系统损失动能最大，此时对应的弹性势能最大．
（2）当弹簧恢复原长时，b球速度最大，此时b球向右运动滑上轨道，根据动量守恒、机械能守恒以及向心力公式可求得正确结果．
（3）根据完成圆周运动的临界条件，判断b球是否能通过最高点．
解答：解：（1）a与b碰撞达到共速时弹簧被压缩至最短，弹性势能最大．设此时ab的速度为v，则由系统的动量守恒可得：
2mv=3mv
由机械能守恒定律：
解得：
（2）当弹簧恢复原长时弹性势能为零，b开始离开弹簧，此时b的速度达到最大值，并以此速度在水平轨道上向前匀速运动．设此时a、b的速度分别为v₁和v₂，由动量守恒定律和机械能守恒定律可得：
2mv=2mv₁+mv₂
解得：（1分）
滑块b到达B时，根据牛顿第二定律有：
解得：N=5mg  
根据牛顿第三定律滑块b在B点对轨道的压力N′=5mg，方向竖直向下． 
（3）设b恰能到达最高点C点，且在C点速度为v_C，此时轨道对滑块的压力为零，滑块只受重力，由牛顿第二定律：
解得：
再假设b能够到达最高点C点，且在C点速度为v_C'，由机械能守恒定律可得：
解得：v_C'=0＜．所以b不可能到达C点，假设不成立．       
答：（1）a和b在碰撞过程中弹簧获得的最大弹性势能为；
（2）小滑块b经过圆形轨道的B点时对轨道的压力为5mg；
（3）小滑块b不能到达圆形轨道的最高点C．
点评：本题综合性较强，考查了动量守恒、机械能守恒定律以及完成圆周运动的临界条件的应用，注意把运动过程分析清楚，正确应用相关定律求解．