问题 问答题

质量m=1.0kg的甲物体与竖直放置的轻弹簧的上端连接,弹簧下端固定在地面上,如右图所示.质量m=1.0kg的乙物体从甲物体正上方,距离甲物体h=0.40m处自由落下,撞在甲物体上在极短的时间内与甲物体粘在一起(不再分离)向下运动.它们到达最低点后又向上运动,上升的最高点比甲物体初始位置高H=0.10m.已知弹簧的劲度系数k=200N/m,且弹簧始终在弹性限度内,空气阻力可忽略不计,重力加速度g取10m/s2.求:

(1)乙物体和甲物体碰撞过程中损失的动能;

(2)乙物体和甲物体碰撞后一起向下运动的最大距离.

答案

(1)设乙物体和甲物体碰撞前瞬间乙物体的速度大小为v1

            根据v12=2gh    解得v1=2

2
 m/s=2.8 m/s

         设乙物体和甲物体碰撞后的共同速度大小为v2

            由动量守恒定律有mv1=2mv2

            解得v2=

1
2
v1=
2
m/s=1.4 m/s

        则碰撞后系统的动能Ek2=

1
2
 (2m)v22=2 J   

        甲、乙物体构成的系统碰撞前的动能Ek1=4 J,故乙物体和甲物体碰撞过程中损失的机械能

△E=Ek1-Ek2=2 J                

    (2)设甲物体静止时弹簧压缩量为x1,根据平衡条件,

           解得x1=

mg
k
=5.0 cm

        甲和乙碰撞后做简谐运动,在通过平衡位置时两物体所受合力为零,速度最大,设此时弹簧压缩量为x2

           解得x2=

2mg
k
=10 cm

        甲物体和乙物体一同上升到最高点,两物体与简谐运动平衡位置的距离,即简谐运动的振幅

           A=x2+(H-x1)=15 cm

      根据简谐运动的对称性可知,两物体向下运动的最大距离

          x=A+(x2-x1)=20 cm            

答:(1)乙物体和甲物体碰撞过程中损失的动能为2J;

    (2)乙物体和甲物体碰撞后一起向下运动的最大距离0 20cm.

单项选择题
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