Question

如圖（a）所示，豎直輕彈簧下端與放在水平地面上的物塊A相連．上端與物塊B相連．物塊C在B的正上方某處自由落下，與B碰撞后粘合在一起．在物塊C正上方放置一個(gè)速度傳感器，以測(cè)量C下落的速度v_C；在物塊A的正下方放置一個(gè)壓力傳感器，以測(cè)量物塊A對(duì)地面的壓力N，得到如圖（b）所示v-t和N-t圖線，圖中縱坐標(biāo)軸上的P、v₁、v₂為已知量．已知彈簧的勁度系數(shù)為k，A、B、C三個(gè)物塊的質(zhì)量相等且都可視為質(zhì)點(diǎn)，重力加速度為g，求：
（1）每個(gè)物塊的質(zhì)量．
（2）從t₁到t₂，BC粘合體對(duì)彈簧做的功多大？
（3）為使BC粘合體向上反彈到最大高度時(shí)，物塊A對(duì)地面的壓力恰好為零，則C物開(kāi)始下落時(shí)與B物塊的距離應(yīng)多大？

Answer 1

【答案】分析：（1）由圖（b）可知，在C未與B碰撞前，A對(duì)地面的壓力為P，對(duì)A、B整體平衡即可求得每個(gè)物塊的質(zhì)量．
（2）t₁到t₂的過(guò)程中，根據(jù)胡克定律求得B、C下移的距離．物塊B、C碰撞后黏合在一起的過(guò)程，由動(dòng)量守恒求出碰后共同速度，根據(jù)動(dòng)能定理對(duì)BC進(jìn)行研究，可求得BC粘合體對(duì)彈簧做的功．
（3）物塊A對(duì)地的壓力恰好為零時(shí)，彈簧的彈力等于A的重力，可求得此時(shí)彈簧的伸長(zhǎng)量，得到物塊B、C與它們剛碰撞時(shí)的高度差．對(duì)于B、C和彈簧組成的系統(tǒng)，由機(jī)械能守恒定律和動(dòng)量守恒可求得C物開(kāi)始下落時(shí)與B物塊的距離．
解答：解：（1）設(shè)m_A=m_B=m_C=m，由圖象可知，在C未與B碰撞前，A對(duì)地面的壓力為P，則有：
       P=（m_A+m_B）g=2mg   ①
得：m=  ②
（2）由圖象可知：在t₂時(shí)刻，B、C的速度達(dá)到最大為v₂，此時(shí)B、C所受合力為零，故t₁到t₂的過(guò)程中，B、C下移的距離為：
  x₁==  ③
由圖可知C與B碰前的速度為v₁，設(shè)物塊B、C碰撞后黏合在一起的速度為v，由動(dòng)量守恒定律得：mv₁=2mv  ④
則t₁到t₂的時(shí)間內(nèi)，物塊B、C對(duì)彈簧做的功為W，對(duì)B、C由動(dòng)能定理得：
  2mgx₁-W=-  ⑤
可解得：W=+    ⑥
（3）由于B與C碰前，彈簧已壓縮x₂==，當(dāng)物塊A對(duì)地的壓力恰好為零時(shí)，彈簧的伸長(zhǎng)量：x₃===x₂，物塊A對(duì)地的壓力恰好為零時(shí)，物塊B、C與它們剛碰撞時(shí)的高度差為：
   x₃+x₂=2x₂=2=  ⑦
物塊B、C第一次剛以相同的速度v′向下運(yùn)動(dòng)時(shí)，彈簧的彈性勢(shì)能與物塊A對(duì)地面壓力為零時(shí)彈簧的彈性勢(shì)能相等，對(duì)于B、C和彈簧組成的系統(tǒng)，由機(jī)械能守恒定律得：
-2mg（2x₂）=0-   ⑧
設(shè)物塊C開(kāi)始下落時(shí)與B物塊間的距離為H，C與B碰撞前的瞬時(shí)速度為v₁′，B與C碰后黏合在一起的速度為v′，有：
 mgH=  ⑩
 mv₁′=2mv′（11）
聯(lián)立⑦⑧⑨⑩解得：H=
答：
（1）每個(gè)物塊的質(zhì)量為．
（2）從t₁到t₂，BC粘合體對(duì)彈簧做的功為+．
（3）為使BC粘合體向上反彈到最大高度時(shí)，物塊A對(duì)地面的壓力恰好為零，C物開(kāi)始下落時(shí)與B物塊的距離應(yīng)為．
點(diǎn)評(píng)：本題一方面要讀懂力圖象，發(fā)現(xiàn)其中的信息，另一方面能分析物理過(guò)程，由胡克定律、機(jī)械守恒和動(dòng)量守恒結(jié)合進(jìn)行分析．