9.如图甲所示,质量分别为m=1kg,M=2kg的A、B两个小物块用轻弹簧相连而静止在光滑水平面上,在A的左侧某处另有一个质量也为m=1kg的小物块C以v0=4m/s的速度正对A向右匀速运动,一旦与A接触就将粘合在一起运动,若在C与A接触前,使A获得一初速度vA0,并从此时刻开始计时,向右为正方向,其速度随时间变化的图像如图乙所示(C与A未接触前),弹簧始终未超过弹簧性限度。
⑴在C与A接触前,当A的速度分别为6m/s、2m/s、–2m/s时,求对应状态下B的速度,并在此基础上在图乙中粗略画出B的速度随时间变化图像;
⑵若C在A的速度为vA时与A接触,在接触后的运动过程中弹簧弹性势能的最大值为Ep,求EP的变化范围。
(1) 0,2m/s,4m/s
(2)13.5J≥EP≥4.5J
(1)由动量守恒定律 mVA0=mVA+MVB 得
代入VA数据6m/s,2m/s,-2m/s得B与A对应的速度为0,2m/s,4m/s
描绘图象如图示。
(2)无论C与A如何接触,当A、B、C具有相同速度u时弹性势能最大,由动量守恒定律mV0+mVA0="(2m+M)u "
设C与A碰撞前后A的瞬时速度分别为VA、V,碰撞过程缺失机械能为△E,则
设最大的弹性势能为Ep,则
∴
可见VA=V0时,C与A接触而粘在一起,不损失机械能,△E=0,EP有最大值EPmax。
当VA反向最大时,△E最大,EP有最小值EPmin。由第(1)问知,当VA=-2m/s时,B的速度VB=4m/s,这时A、B的总动能
A刚开始运动时,A、B和弹簧组成系统的总能量
可见C与A碰撞前,A的反向最大速度不会超过2m/s,
∴
所以弹簧弹性势能最大值的变化范围是13.5J≥EP≥4.5J