Question

如圖甲所示，光滑的水平地面上固定一長為L=1.7m長木板C，板的左端有兩小物塊A和B，其間夾有一根長為1.0m的輕彈簧，彈簧沒有形變，且與物塊不相連．已知m_A=m_C=20kg，m_B=40kg，A與木板C、B與木板C的動摩擦因數(shù)分別為μ_A=0.50，μ_B=0.25，用水平力F作用于 A，讓F從零逐漸增大，并使B緩慢地向右移動了0.5m，使彈簧儲存了彈性勢能E_O．問：



（1）若彈簧的勁度系數(shù)為k=200N/m，以作用力F為縱坐標(biāo)，A移動的距離為橫坐標(biāo)，試在圖乙的坐標(biāo)系中作出推力F隨A位移的變化圖線；
（2）求出彈簧儲存的彈性勢能E_O的大小；
（3）當(dāng)物塊B緩慢地向右移動了0.5m后，保持A、B兩物塊間距，將其間夾有的彈簧更換，使得壓縮量仍相同的新彈簧儲存的彈性勢能為12E_O，之后同時釋放三物體A、B和C，已被壓縮的輕彈簧將A、B向兩邊彈開，哪一物塊將先彈出木板C，最終C的速度是多少？

Answer 1

（1）A與C間的摩擦力為：f_A=μ_Am_Ag=0.5×20×10N=100N，B與C間摩擦

為：f_B=μ_Bm_Bg=0.25×40×10N=100N，
推力F從零逐漸增大，當(dāng)增大到100N時，物塊A開始向右移動壓縮輕彈簧（此時B仍保持靜止），設(shè)壓縮量為x，則力F=f_A+kx，
當(dāng)x=0.5m時，力F=f_A+f_B=200N，此時B將緩慢地向右移．B在移動0.5m的過程中，力F保持F=200N不變，彈簧壓縮了0.5m，B離木板C的右端0.2m，A離木板C有左端1.0m．作出力F隨A位移的變化圖線如圖所示．
（2）在物塊B移動前，力F作用于物塊A，壓縮彈簧使彈簧貯存了彈性勢能E₀，物塊A移動了s=0.5m，設(shè)力F做功為W，由能量守恒可得
彈簧貯存的彈性勢能大小為：E₀=W-f_As=

100+200

2

×0.5J-100×0.5J=25J
（3）撤去力F之后，AB兩物塊給木板C的摩擦力的合力為零，故在物塊AB滑離木板C之前，C仍靜止不動．物塊AB整體所受外力的合力也為零，其動量守恒，可得
  m_Av_A=m_Bv_B
由題可知，始終v_A：v_B=m_B：m_A=2：1 當(dāng)物塊B在木板C上向右滑動了0.2m，物塊A則向左滑動了0.4m，但A離木板C的左端還有d=0.6m．可見，物塊B先滑離木板C．
并且兩物體的相對位移△s=0.4m+0.2m=0.6m＞0.5m（彈簧的壓縮量），彈簧儲存的彈性勢能已全部釋放，由能量守恒定律有
    12E₀=

1

2

mA

v

2A

+

1

2

mB

v

2B

+f_A?△s
由此求出物塊B滑離木板C時A物塊的速度為v_A=4m/s
設(shè)此后A滑離木板C時，物體A的速度v_A′，木板C的速度v_c′，有動量守恒定律有
    m_Av_A=m_Av_A′+m_Cv_C′
 由能量守恒有f_Ad=

1

2

mA

v

2A

-（

1

2

mAvA′2+

1

2

mCvC′2）有
將d=0.6m及有關(guān)數(shù)據(jù)代入上兩式解得：v_C′=1m/s，（v_C′=3m/s，不合題意舍棄）
答：（1）推力F隨A位移的變化圖線如圖所示；
（2）彈簧儲存的彈性勢能E₀的大小為25J；
（3）最終C的速度是1m/s．