题目内容

7.两个相同的铁球,质量均为m,由原长为L0,劲度系数为k的弹簧连接,设法维持弹簧在原长位置,由静止释放两球(两球连线竖直).设开始时下面铁球距离桌面的高度为h,而且下面铁球与桌面的碰撞为完全非弹性的碰撞,弹簧的弹性势能为Ep=$\frac{1}{2}$kx2,期中x为弹簧的形变量.
(1)求弹簧的最大压缩量x.
(2)如果使铁球放在光滑水平面上绕过质心的竖直轴转动,此时弹簧长度变为L,求转动的角速度ω.

分析 (1)先对两球及弹簧整体,由机械能守恒定律求出铁球刚碰撞桌面时的速度,下面铁球撞到桌面后速度立即变为零,上面铁球与弹簧组成的系统机械能守恒,由机械能守恒定律求弹簧的最大压缩量x.
(2)根据胡克定律和向心力公式列式求解角速度.

解答 解:(1)设下面铁球与桌面的碰撞前瞬间的速度为v.
对两球及弹簧整体,由机械能守恒得:
  2mgh=$\frac{1}{2}×$2mv2;
解得 v=$\sqrt{2gh}$
对上面铁球与弹簧组成的系统,由机械能守恒得:
  $\frac{1}{2}m{v}^{2}$+mgx=$\frac{1}{2}$kx2,
解得 x=$\frac{mg+\sqrt{{m}^{2}{g}^{2}+2kmgh}}{k}$
(2)对任一球,由牛顿第二定律得
  k(L-L0)=mω2•$\frac{L}{2}$
解得ω=$\sqrt{\frac{2k(L-{L}_{0})}{mL}}$
答:
(1)弹簧的最大压缩量x是$\frac{mg+\sqrt{{m}^{2}{g}^{2}+2kmgh}}{k}$.
(2)转动的角速度ω是$\sqrt{\frac{2k(L-{L}_{0})}{mL}}$.

点评 解决本题的关键知道能量是如何转化和小球做圆周运动向心力的来源,注意第2小题中小球转动的半径等于弹簧长度的一半.

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