如图所示,光滑水平面上,质量为m的小球B连接着轻质弹簧,处于静止状态,质量为2m的小球A以大小为v0的初速度向右运动,接着逐渐压缩弹簧并使B运动,过一段时间,A与弹簧分离.
(1)当弹簧被压缩到最短时,弹簧的弹性势能Ep多大?
(2)若开始时在B球的右侧,某位置固定一挡板,在A球与弹簧未分离前使B球与挡板碰撞,并在碰后立刻将挡板撤走,设B球与挡板的碰撞时间极短,碰后B球的速度大小不变但方向相反,欲使此后弹簧被压缩到最短时,弹性势能达到第(1)问中Ep的2.5倍,必须使B球的速度多大时与挡板发生碰撞?
(1)当弹簧压缩到最短时,A、B的速度相等,2mv0=3mv1 ①
A和B的共同速度v1=v0
根据系统的机械能守恒得 •2mv02=•3mv12+Ep ②
解得 此时弹簧的弹性势能Ep=mv02 ③
(2)B碰挡板时没有机械能损失,碰后弹簧被压缩到最短时,A、B速度也相等,•2mv02=•3mv22+Ep′④
Ep′=2.5Ep=mv02
解得v2=±⑤
取向右为正方向.若v2=,则表示B球与板碰撞后,A、B此时一起向右运动.B球与板碰撞前B与A动量守恒
2mv0=2 mvA+mvB⑥
B球与板碰撞后B与A动量也守恒
2mvA-mvB=3m•⑦
解得 vA=v0,vB=
因为此时vA>vB,弹簧还将继续缩短,所以这种状态是能够出现的,
若v2=-,则表示B球与板碰撞后A、B向左运动,B球与板碰撞后B和A动量守恒
2mvA-mvB=3mv2=-3m• ⑧
由⑥⑧可得,vA=,vB=v0
此时A、B球的总动能EK总=•2mvA2+mvB2=m()2+(v0)2=mv02
EK总大于A球最初的动能mv02,因此vB=v0这种状态是不可能出现的,因此必须使B球在速度为时与挡板发生碰撞. ⑨
答:
(1)当弹簧被压缩到最短时,弹簧的弹性势能Ep为mv02.
(2)必须使B球在速度为时与挡板发生碰撞.