Question

如圖所示，在光滑水平地面上，有一質(zhì)量m₁=4.0kg的平板小車，小車的右端有一固定的豎直擋板，擋板上固定一輕質(zhì)細(xì)彈簧．位于小車上A點處質(zhì)量m₂=1.0kg的木塊（可視為質(zhì)點）與彈簧的左端相接觸但不連接，此時彈簧與木塊間無相互作用力．木塊與A點左側(cè)的車面之間的動摩擦因數(shù)μ=0.40，木塊與A點右側(cè)的車面之間的摩擦可忽略不計．現(xiàn)小車與木塊一起以v₀=2.0m/s的初速度向右運動，小車將與其右側(cè)的豎直墻壁發(fā)生碰撞，已知碰撞時間極短，碰撞后小車以v₁=1.0m/s的速度反向彈回，已知重力加速度g取10m/s²，彈簧始終處于彈性限度內(nèi)．求：
（1）小車撞墻后彈簧的最大彈性勢能；
（2）要使木塊最終不從小車上滑落，則車面A點左側(cè)粗糙部分的長度應(yīng)滿足什么條件？

Answer 1

分析：二者速度相等時彈簧的彈性勢能最大，根據(jù)動量守恒定律求出二者的共同速度，然后由機械能守恒定律求出彈簧的彈性勢能；
木塊被彈簧彈出后滑到A點左側(cè)某處與小車具有相同的速度v’時，木塊將不會從小車上滑落，找出臨界條件后根據(jù)動量守恒和能量守恒求解．

解答：解：（1）小車與墻壁碰撞后向左運動，木塊與小車間發(fā)生相對運動將彈簧壓縮至最短時，二者速度相等，此時彈簧的彈性勢能最大，此過程中，二者組成的系統(tǒng)動量守恒，設(shè)彈簧壓縮至最短時，小車和木塊的速度大小為v，根據(jù)動量守恒定律有：
m₁v₁-m₂v₀=（m₁+m₂）v…①
解得 v=0.40m/s…②
設(shè)最大的彈性勢能為E_P，根據(jù)機械能守恒定律可得
E_P=

1

2

m₁v₁²+

1

2

m₂v₀²-

1

2

（m₁+m₂）v²…③
由②③得E_P=3.6J…④
（2）根據(jù)題意，木塊被彈簧彈出后滑到A點左側(cè)某處與小車具有相同的速度v’時，木塊將不會從小車上滑落，此過程中，二者組成的系統(tǒng)動量守恒，
故有v’=v═0.40m/s…⑤
木塊在A點右側(cè)運動過程中，系統(tǒng)的機械能守恒，而在A點左側(cè)相對滑動過程中將克
服摩擦阻力做功，設(shè)此過程中滑行的最大相對位移為L，根據(jù)功能關(guān)系有
μm₂gL=

1

2

m₁v₁²+

1

2

m₂v₀²-

1

2

（m₁+m₂）v’²…⑥
解得L=0.90m…⑦
即車面A點左側(cè)粗糙部分的長度應(yīng)大于0.90m
答：（1）小車撞墻后彈簧的最大彈性勢能3.6J．
（2）要使木塊最終不從小車上滑落，則車面A點左側(cè)粗糙部分的長度應(yīng)大于0.90m．

點評：本題考查了動量守恒和能量守恒的綜合運用，關(guān)鍵是找出木塊不會從小車上滑落的臨界條件，屬于較難題目．