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微专题9
“滑块—弹簧”模型和“滑块—斜(曲)面”模型
“滑块—弹簧”模型
模型
图示
模型
特点
(1)动量守恒:两个物体与弹簧相互作用的过程中,若系统所受外力的矢量和为零,则系统动量守恒
(2)机械能守恒:系统所受的外力为零或除弹簧弹力以外的内力不做功,系统机械能守恒
(3)弹簧处于最长(最短)状态时两物体速度相同,弹性势能最大,系统动能通常最小(相当于完全非弹性碰撞,两物体减少的动能转化为弹簧的弹性势能)
(4)弹簧恢复原长时,弹性势能为零,系统动能最大(相当于刚完成弹性碰撞)
(2024·徐州期中学情调研)如图所示,A、B两物块用轻弹簧连接后放在光滑的水平面上,A紧靠竖直墙壁,弹簧处于原长.现用水平向左的力F缓慢推动物块B,到达某一位置后静止,此过程中力F做功9J.已知A、B两物块的质量分别为mA=4kg和mB=2kg,现突然撤去推力F,求:
(1)弹簧第一次恢复到原长时,物块B的动量.
答案:6kg·m/s,方向水平向右
解析:弹簧第一次恢复到原长时,根据能量守恒可得WF=eq\f(1,2)mBveq\o\al(2,0)
解得物块B的速度为v0=3m/s
则物块B的动量大小为
pB=mBv0=6kg·m/s,方向水平向右.
(2)两物块的速度相同时,弹簧的弹性势能.
答案:6J
解析:两物块的速度相同时,根据系统动量守恒可得
mBv0=(mA+mB)v
解得共同速度为v=1m/s
根据系统机械能守恒可得,此时的弹簧的弹性势能为
Ep=eq\f(1,2)mBveq\o\al(2,0)-eq\f(1,2)(mA+mB)v2=6J
(3)撤去推力F后,物块A能达到的最大速度.
答案:2m/s
解析:撤去推力F后,当第一次到达共速后,弹簧伸长量最大,之后当弹簧再次恢复原长时,物块A的速度达到最大,则根据系统动量守恒可得
mBv0=mAvA+mBvB
根据系统机械能守恒可得
eq\f(1,2)mBveq\o\al(2,0)=eq\f(1,2)mAveq\o\al(2,A)+eq\f(1,2)mBveq\o\al(2,B)
联立解得物块A能达到的最大速度为vA=2m/s
类题固法1
1.(2023·如皋适应性考试)如图所示,左端接有轻弹簧的物块A静止在光滑水平面上,物块B以一初速度向A运动,t=0时B与弹簧接触,0~2s内两物体的v-t图像如图所示.则(C)
A.A的质量比B的大
B.0~1s内,弹簧对A、B的冲量相同
C.t=1s时,弹簧的弹性势能最大
D.t=2s时,A的动量比B的大
解析:由图可知,物块B的初速度为v0=1.2m/s,t=1s时,物块A、B的共同速度大小为v=1.0m/s,由动量守恒定律可得mBv0=(mA+mB)v,解得mB=5mA,故A错误;0~1s内,弹簧对A冲量方向向右,弹簧对B的冲量方向向左,所以弹簧对A、B的冲量不相同,故B错误;t=1s时,物块A、B有共同速度,弹簧最短,弹簧的弹性势能最大,故C正确;t=2s时,A的动量pA=mAvA,B的动量pB=mBvB,由图可知vA=2.0m/s,vB=0.8m/s,又mB=5mA,所以A的动量比B的小,故D错误.
2.(2024·宝应期中)如图所示,足够长的光滑水平直轨道上有物块A、B、C,质量分别为2m、m、m,B的左侧固定一轻弹簧(不与A固定),A、B共同以速度v0向C运动,弹簧处于原长,C静止,B、C间发生弹性碰撞.求:
(1)B、C第一次碰撞后,C的速度大小vC.
答案:v0
解析:B、C发生弹性碰撞,则
mv0=mvB+mvC
eq\f(1,2)mveq\o\al(2,0)=eq\f(1,2)mveq\o\al(2,B)+eq\f(1,2)mveq\o\al(2,C)
由于B、C质量相等,速度交换,即vC=v0
(2)弹簧具有的最大弹性势能Ep.
答案:eq\f(1,3)mveq\o\al(2,0)
解析:A、B速度再次相等时,弹簧具有的弹性势能最大,对A、B系统,动量守恒2mv0=3mv
解得v=eq\f(2v0,3)
由能量守恒Ep=eq\f(1,2)·2mveq\o\al(2,0)-eq\f(1,2)(3m)v2
解得Ep=eq\f(1,3)mveq\o\al(2,0)
(3)整个运动过程中,B的动量变化量的大小Δp.
答案:0
解析:对A、B系统,动量守恒2mv0=2mv1′+mv2′
能量守恒eq\f(1,2)×2mveq\o\al(2,0)=eq\f(1,2)×2mv′eq\o\al(2,1)+eq\f(1,2)mv′eq\o\al(2,2)
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