Question

【題目】如圖所示，光滑水平面上有一質量M=4．0kg的平板車，車的上表面右側是一段長L=1．0m的水平軌道，水平軌道左側是一半徑R=0．25m的1/4光滑圓弧軌道，圓弧軌道與水平軌道在O′點相切．車右端固定一個尺寸可以忽略、處于鎖定狀態的壓縮彈簧，一質量m=1．0kg的小物塊（可視為質點）緊靠彈簧，小物塊與水平軌道間的動摩擦因數μ=0．5．整個裝置處于靜止狀態．現將彈簧解除鎖定，小物塊被彈出，恰能到達圓弧軌道的最高點A．不考慮小物塊與輕彈簧碰撞時的能量損失，不計空氣阻力，取g=10m/s2．求：

（1）解除鎖定前彈簧的彈性勢能；

（2）小物塊第二次經過O′點時的速度大小；

（3）小物塊與車最終相對靜止時距O′點的距離

Answer 1

【答案】（1）7．5J（2）2．0m/s（3）0．5m

【解析】

試題（1）平板車和小物塊組成的系統，水平方向動量守恒，解除鎖定前，總動量為零，故小物塊到達圓弧最高點A時，二者的共同速度v共=0

設彈簧解除鎖定前的彈性勢能為Ep，上述過程中系統能量守恒，則有

Ep=mgR+μmgL

代入數據解得 Ep=7．5J

（2）設小物塊第二次經過O'時的速度大小為vm，此時平板車的速度大小為vM，研究小物塊在平板車圓弧面上的下滑過程，由系統動量守恒和機械能守恒有0=mvm-MvM

mgR＝mvm2+MvM2

代入數據解得 vm=2．0m/s

（3）最終平板車和小物塊相對靜止時，二者的共同速度為0．

設小物塊相對平板車滑動的路程為S，對系統由能量守恒有

Ep=μmgS

代入數據解得S=1．5m

則距O'點的距離x=S-L=0．5m