Question

如圖9-1所示，質(zhì)量為M=3kg的木板靜止在光滑水平面上，板的右端放一質(zhì)量為m=1kg的小鐵塊，現(xiàn)給鐵塊一個(gè)水平向左速度V₀=4m/s，鐵塊在木板上滑行，與固定在木板左端的水平輕彈簧相碰后又返回，且恰好停在木板右端，求鐵塊與彈簧相碰過(guò)程中，彈性勢(shì)能的最大值E_P。

Answer 1

分析與解：在鐵塊運(yùn)動(dòng)的整個(gè)過(guò)程中，系統(tǒng)的動(dòng)量守恒，因此彈簧壓縮最大時(shí)和鐵塊停在木板右端時(shí)系統(tǒng)的共同速度（鐵塊與木板的速度相同）可用動(dòng)量守恒定律求出。在鐵塊相對(duì)于木板往返運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，系統(tǒng)總機(jī)械能損失等于摩擦力和相對(duì)運(yùn)動(dòng)距離的乘積，可利用能量關(guān)系分別對(duì)兩過(guò)程列方程解出結(jié)果。

　 設(shè)彈簧壓縮量最大時(shí)和鐵塊停在木板右端時(shí)系統(tǒng)速度分別為V和V’，由動(dòng)量守恒得：mV₀=(M+m)V=(M+m)V’ 所以，V=V’=mV₀/(M+m)=1X4/(3+1)=1m/s

鐵塊剛在木板上運(yùn)動(dòng)時(shí)系統(tǒng)總動(dòng)能為：EK=mV₀²=0.5X1X16=8J

彈簧壓縮量最大時(shí)和鐵塊最后停在木板右端時(shí)，系統(tǒng)總動(dòng)能都為：

E_K’=(M+m)V²=0.5X(3+1)X1=2J

鐵塊在相對(duì)于木板往返運(yùn)過(guò)程中，克服摩擦力f所做的功為：

W_f=f2L=E_K-E_K’=8-2=6J

鐵塊由開(kāi)始運(yùn)動(dòng)到彈簧壓縮量最大的過(guò)程中，系統(tǒng)機(jī)械能損失為：fs=3J

由能量關(guān)系得出彈性勢(shì)能最大值為：E_P=E_K-E_K‘-fs=8-2-3=3J

說(shuō)明：由于木板在水平光滑平面上運(yùn)動(dòng)，整個(gè)系統(tǒng)動(dòng)量守恒，題中所求的是彈簧的最大彈性勢(shì)能，解題時(shí)必須要用到能量關(guān)系。在解本題時(shí)要注意兩個(gè)方面：①.是要知道只有當(dāng)鐵塊和木板相對(duì)靜止時(shí)(即速度相同時(shí))，彈簧的彈性勢(shì)能才最大；彈性勢(shì)能量大時(shí)，鐵塊和木板的速度都不為零；鐵塊停在木板右端時(shí)，系統(tǒng)速度也不為零。

②.是系統(tǒng)機(jī)械能損失并不等于鐵塊克服摩擦力所做的功，而等于鐵塊克服摩擦力所做的功和摩擦力對(duì)木板所做功的差值，故在計(jì)算中用摩擦力乘上鐵塊在木板上相對(duì)滑動(dòng)的距離。