Question

（2013?南昌二模）如圖所示，在光滑水平面上，質(zhì)量為m的小球B連接著一個(gè)輕質(zhì)彈簧，彈簧與小球  均處于靜止?fàn)顟B(tài)．質(zhì)量為2m的小球A以大小為v₀的水平速度向右運(yùn)動(dòng)，接觸彈簧后逐漸壓縮彈簧并使B運(yùn)動(dòng)，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間，A與彈簧分離．
（1）當(dāng)彈簧壓縮至最短時(shí)，彈簧的彈性勢(shì)能Ep為多大？
（2）若開(kāi)始時(shí)，在B球的右側(cè)某位置固定一塊擋板，在A與彈簧未分離前使B球與擋板發(fā)生碰撞，并在碰撞后立即將擋板撤走．設(shè)B球與擋板碰撞時(shí)間極短，碰后B球的速度大小不變，但方向與原來(lái)相反．欲使此后彈簧被壓縮到最短時(shí)彈簧的彈性勢(shì)能能達(dá)到第（1）問(wèn)中E_p的3倍，必須使兩球在速度達(dá)到多大時(shí)與擋板發(fā)生碰撞？

Answer 1

分析：（1）當(dāng)彈簧壓縮至最短時(shí)，兩球的速度相等，根據(jù)系統(tǒng)的動(dòng)量守恒和機(jī)械能守恒列式，即可求出此時(shí)彈簧的彈性勢(shì)能E_P．
（2）設(shè)B球與擋板碰撞時(shí)，A球速度為v₁、B球速度為v₂（均向右），根據(jù)動(dòng)量守恒列式，B球與擋板剛碰后，A球速度為v₁、B球速度為-v₂（向左），此后彈簧壓縮至最短時(shí)有共同速度，再由系統(tǒng)的動(dòng)量守恒和機(jī)械能守恒列式，即可得解．

解答：解：（1）彈簧壓縮至最短時(shí)，A、B速度均為v，選取向右為正方向，對(duì)于兩球組成的系統(tǒng)，根據(jù)動(dòng)量守恒定律，有：
  2mv₀=（2m+m）v
解得：v=

2

3

v₀
此過(guò)程中，只有彈簧的彈力做功，機(jī)械能守恒，根據(jù)系統(tǒng)的機(jī)械能守恒定律，有：
 

1

2

×2m

v

2 0

=E_p+

1

2

（2m+m）v²
解得：E_p=

1

3

m

v

2 0

（2）彈簧被壓縮至最短時(shí)彈簧的彈性勢(shì)能能達(dá)到第（1）問(wèn)中E_p的3倍，即：
  E_p′=3×

1

3

m

v

2 0

=mv

2 0

設(shè)B球與擋板碰撞時(shí)，A球速度為v₁，B球速度為v₂，（均向右），B與擋板碰后彈簧被壓縮到最短時(shí)共同速度為v′，則
根據(jù)碰后系統(tǒng)的機(jī)械能守恒得：E_p′=

1

2

×2m

v

2 0

-

1

2

（2m+m）v′²
由以上兩式得，v′=0，所以此時(shí)小球A、B的總動(dòng)量也為0，說(shuō)明B球與擋板碰前瞬間兩球動(dòng)量等大，則有：
  2mv₁=2mv₂，
根據(jù)B與擋板碰后，AB的總動(dòng)量守恒得：
  2mv₀=2mv₁+mv₂，
聯(lián)立解得：v₁=

1

2

v₀，v₂=v₀，
答：（1）當(dāng)彈簧壓縮至最短時(shí)，彈簧的彈性勢(shì)能Ep為

1

3

m

v

2 0

．
（2）必須使A球速度為

1

2

v₀，B球速度為v₀時(shí)與擋板發(fā)生碰撞．

點(diǎn)評(píng)：本題是含有彈簧的問(wèn)題，關(guān)鍵要分析物體的運(yùn)動(dòng)過(guò)程，抓住系統(tǒng)的動(dòng)量守恒和機(jī)械能守恒進(jìn)行分析，綜合性較強(qiáng)．