问题 问答题

如右图所示,用轻弹簧相连的质量均为2kg的A、B两物块都以v=6m/s的速度在光滑水平地面上运动,弹簧处于原长,质量4kg的物块C静止在前方,B与C碰撞后二者粘在一起运动.在以后的运动中,求:

(1)当弹簧的弹性势能最大时,物体A的速度多大?

(2)弹性势能的最大值是多大?

(3)A的速度有可能向左吗?为什么?

答案

(1)当A、B、C三者的速度相等时弹簧的弹性势能最大.

由于A、B、C三者组成的系统动量守恒:

 (mA+mB)v=(mA+mB+mC)vA′…①

由①式解得 vA′=3m/s…②

(2)B、C碰撞时B、C组成的系统动量守恒,设碰后瞬间B、C两者速度为v′,则:

   mBv=(mB+mC)v′…③

由③式解得:v′=2m/s…④

设物A速度为vA′时,弹簧的弹性势能最大为Ep,根据能量守恒:

  Ep=

1
2
(mB+mC)v'2+
1
2
mAv2-
1
2
(mA+mB+mC
v2A
…⑤

由⑤式解得:Ep═12J…⑥

(3)系统动量守恒:mAv+mBv=mAvA+(mB+mC)vB…⑦

设A的速度向左,vA<0,vB>4 m/s

则作用后A、B、C动能之和:

E′=

1
2
mAvA2+
1
2
(mB+mC)vB2
1
2
(mB+mC)vB2=48 (J)…⑧

实际上系统的总机械能为:

E=Ep+

1
2
(mA+mB+mC
v2A
=12+36=48 (J)…⑨

根据能量守恒定律,E'>E是不可能的,所以A不可能向左运动.

答:(1)当弹簧的弹性势能最大时,物体A的速度是3m/s.

(2)弹性势能的最大值是12J.

(3)A的速度不可能向左.

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