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题目

如图(a),一质量为m的物块A与轻质弹簧连接,静止在光滑水平面上;物块B向A运动,t=0时与弹簧接触,到t=2t0时与弹簧分离,第一次碰撞结束,A、B的v-t图像如图(b)所示。已知从t=0到t=t0时间内,物块A运动的距离为0.36v0t0。A、B分离后,A滑上粗糙斜面,然后滑下,与一直在水平面上运动的B再次碰撞,之后A再次滑上斜面,达到的最高点与前一次相同。斜面倾角为θ(sinθ=0.6),与水平面光滑连接。碰撞过程中弹簧始终处于弹性限度内。求图(a)-|||-v/v0 个 A-|||-2--|||-1.2-|||-0.8+ ----|||--- B-|||-0 1 2 t/to-|||-图(b)(1)第一次碰撞过程中,弹簧弹性势能的最大值;(2)第一次碰撞过程中,弹簧压缩量的最大值;(3)物块A与斜面间的动摩擦因数。

如图(a),一质量为m的物块A与轻质弹簧连接,静止在光滑水平面上;物块B向A运动,t=0时与弹簧接触,到t=2t0时与弹簧分离,第一次碰撞结束,A、B的v-t图像如图(b)所示。已知从t=0到t=t0时间内,物块A运动的距离为0.36v0t0。A、B分离后,A滑上粗糙斜面,然后滑下,与一直在水平面上运动的B再次碰撞,之后A再次滑上斜面,达到的最高点与前一次相同。斜面倾角为θ(sinθ=0.6),与水平面光滑连接。碰撞过程中弹簧始终处于弹性限度内。求

(1)第一次碰撞过程中,弹簧弹性势能的最大值;
(2)第一次碰撞过程中,弹簧压缩量的最大值;
(3)物块A与斜面间的动摩擦因数。

题目解答

答案

解:(1)设物块B的质量为M,t0时刻物块A、B达到共速,弹簧弹性势能此时最大设为Epm,0~t0时间内两物块作用过程满足动量守恒定律,以水平向右为正方向,结合图(b)数据得:
M×1.2v0=(M+m)v0
解得:M=5m
此过程对A、B和弹簧组成的系统,由机械能守恒定律得:
Epm=$\frac{1}{2}M(1.2{v}_{0})^{2}$-$\frac{1}{2}(M+m){{v}_{0}}^{2}$
解得:Epm=0.6m${v}_{0}^{2}$;
(2)t0时刻物块A、B达到共速,此弹簧压缩量最大
因0~t0时间内两物块受到合力大小等于弹簧的弹力大小,故两物块所受合力大小相等方向相反,又因M=5m
由牛顿第二定律可知物块B做减速直线运动的加速度大小始终等于物块A做加速直线运动的加速度大小的$\frac{1}{5}$,那么在相同时间内,物块B的速度减小量始终等于物块A的速度增加量的$\frac{1}{5}$,由v-t图像与时间轴围成的面积表示位移的大小,如图1所所示:

已知:0~t0时间内,物块A运动的距离为0.36v0t0。即图中面积SA=0.36v0t0
物块B相对匀速运动而减小的位移大小等于图中面积SB,由前述分析可知:
SB=$\frac{1}{5}$SA=$\frac{1}{5}$×0.36v0t0=0.072v0t0
则0~t0时间内,物块B运动的位移大小为:
xB=1.2v0t0-SB=1.2v0t0-0.072v0t0=1.128v0t0
由位移关系可得第一次碰撞过程中,弹簧压缩量的最大值为:
Δlm=xB-SA=1.128v0t0-0.36v0t0=0.768v0t0;
(3)已知A再次滑上斜面,达到的最高点与前一次相同,可知A两次滑上斜面的初速度相同,且为2v0。
设A第一次下滑到斜面底端时的速度大小为vA(其方向水平向左),A与B再次碰撞后B的速度为vB,以水平向右为正方向,对A与B再次碰撞的过程,根据动量守恒定律和机械能守恒定律,结合图(b)数据得:
M×0.8v0-mvA=MvB+m×2v0
$\frac{1}{2}M(0.8{v}_{0})^{2}$+$\frac{1}{2}m{{v}_{A}}^{2}$=$\frac{1}{2}M{v}_{B}^{2}$+$\frac{1}{2}m{(2{v}_{0})}^{2}$
联立解得:vA=v0
设A在斜面上上滑的最大高度为h,A与斜面间的动摩擦因数为μ,对A第一次滑上斜面到达最高点的过程,由动能定理得:
-mgh-μmgcosθ•$\frac{h}{sinθ}$=0-$\frac{1}{2}m{(2{v}_{0})}^{2}$
对A第一次滑上斜面又到达斜面底端的过程,由动能定理得:
-2μmgcosθ•$\frac{h}{sinθ}$=$\frac{1}{2}m{{v}_{A}}^{2}$-$\frac{1}{2}m{(2{v}_{0})}^{2}$
联立代入数据解得:μ=0.45。
答:(1)第一次碰撞过程中,弹簧弹性势能的最大值为0.6m${v}_{0}^{2}$;;
(2)第一次碰撞过程中,弹簧压缩量的最大值为0.768v0t0;
(3)物块A与斜面间的动摩擦因数为0.45。

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