6.6质量为m1=0.790kg和m2=0.800kg的物体以劲度系数为10N/m的轻弹簧相连,置于光滑水平桌面上。最初弹簧自由伸张。质量为0.01kg的子弹以速率V=100m/s沿水平方向射于m1内,问弹簧最多压缩了多少
6.6质量为m1=0.790kg和m2=0.800kg的物体以劲度系数为10N/m的轻
弹簧相连,置于光滑水平桌面上。最初弹簧自由伸张。质量为0.01kg的子弹以
速率V=100m/s沿水平方向射于m1内,问弹簧最多压缩了多少
题目解答
答案

解析
考查要点:本题综合考查动量守恒定律和机械能守恒定律的应用,涉及完全非弹性碰撞及弹簧压缩问题。
解题核心思路:
- 分阶段分析:将过程分为两个阶段:
- 第一阶段:子弹射入物体$m_1$,发生完全非弹性碰撞,利用动量守恒求碰撞后的共同速度。
- 第二阶段:碰撞后系统压缩弹簧,当弹簧压缩量最大时,三物体速度相同,此时利用动量守恒和机械能守恒联立求解弹簧的最大压缩量。
破题关键点:
- 动量守恒:碰撞瞬间外力可忽略,动量守恒;弹簧压缩到最大程度时,系统总动量守恒。
- 机械能守恒:碰撞后系统的动能部分转化为弹簧的弹性势能,需注意动能的分配。
第一阶段:子弹与$m_1$碰撞
完全非弹性碰撞,动量守恒:
$m_0 v_0 = (m_1 + m_0) v_1$
解得碰撞后速度:
$v_1 = \frac{m_0 v_0}{m_1 + m_0} = \frac{0.01 \cdot 100}{0.790 + 0.01} = 1.25 \, \text{m/s}$
第二阶段:弹簧压缩到最大程度
动量守恒:碰撞后系统总动量为$(m_1 + m_0) v_1$,当弹簧压缩量最大时,三物体速度相同,设为$V$,则:
$(m_1 + m_0) v_1 = (m_1 + m_2 + m_0) V$
解得:
$V = \frac{(m_1 + m_0)}{m_1 + m_2 + m_0} v_1 = \frac{0.8}{1.6} \cdot 1.25 = 0.625 \, \text{m/s}$
机械能守恒:碰撞后动能转化为系统动能和弹性势能:
$\frac{1}{2}(m_1 + m_0) v_1^2 = \frac{1}{2}(m_1 + m_2 + m_0) V^2 + \frac{1}{2} k \Delta x^2$
代入数据:
$\frac{1}{2} \cdot 0.8 \cdot 1.25^2 = \frac{1}{2} \cdot 1.6 \cdot 0.625^2 + \frac{1}{2} \cdot 10 \cdot \Delta x^2$
解得:
$\Delta x = 0.25 \, \text{m}$