Question

如圖所示．ABC為光滑軌道，其中AB段水平放置，BC段為半徑R的圓弧，AB與BC相切于B點．A處有一豎直墻面，一輕彈簧的一端固定于墻上，另一端與一質(zhì)量為M的物塊相連接．當彈簧處于原長狀態(tài)時．物塊恰能與固定在墻上的L形擋板相接觸于B處但無擠壓．現(xiàn)使一質(zhì)量為m，的小球從圓弧軌道上距水平軌道高h處的D點由靜止開始下滑．小球與物塊相碰后立即共速但不粘連．物塊與L形擋板相碰后速度立即減為零也不粘連．（整個過程中．彈簧沒有超過彈性限度，小球與L型擋板不接觸．不計空氣阻力，重力加速度為g）
（1）試求彈簧獲得的最大彈性勢能；
（2）求小球與物塊第一次碰后沿BC上升的最大高度；
（3）若R＞＞h．每次從小球接觸物塊至物塊撞擊L形擋板歷時均為△t．則小球由D點出發(fā)經(jīng)多長時間第三次通過B點？

Answer 1

分析：（1）球從D下滑到B與物塊碰前，小球機械能守恒定律列式，碰撞過程，小球與滑塊系統(tǒng)動量守恒，根據(jù)動量守恒定律列式，碰后彈簧壓縮到最大程度的過程中，M、m和彈簧的系統(tǒng)機械能守恒，聯(lián)立方程即可求解；
（2）第一次碰后，小球返回B點的速度仍為v₁，設(shè)從B向C滑動的最大高度為h₁，根據(jù)機械能守恒即可求解；
（3）R當R＞＞h，小球在BC上的運動可等效為單擺，其周期為T=2π

R g

，進而求出小球第三次通過B點經(jīng)過的時間．

解答：解：（1）球從D下滑到B與物塊碰前，小球機械能守恒，有mgh=

1

2

mv02
碰撞過程，小球與滑塊系統(tǒng)動量守恒mv₀=（m+M）v₁
碰后彈簧壓縮到最大程度的過程中，M、m和彈簧的系統(tǒng)機械能守恒EP=

1

2

(M+m)v12
解得：EP=

m2gh

m+M

（2）第一次碰后，小球返回B點的速度仍為v₁，設(shè)從B向C滑動的最大高度為h₁，有mgh1=

1

2

mv12
解得：h1=

m2

(m+M)2

h
（3）R＞＞h，小球在BC上的運動可等效為單擺，其周期為T=2π

R g

   
分析知小球第三次通過B點經(jīng)過的時間為t=

3

4

T+△t=

3

2

π

R g

+△t
答：（1）彈簧獲得的最大彈性勢能為

m2gh

m+M

；
（2）小球與物塊第一次碰后沿BC上升的最大高度為

m2

(m+M)2

h；
（3）若R＞＞h．每次從小球接觸物塊至物塊撞擊L形擋板歷時均為△t．則小球由D點出發(fā)經(jīng)

3

2

π

R g

+△t時間第三次通過B點．

點評：本題主要考查了機械能守恒定律、動量守恒定律的直接應用，知道當R＞＞h，小球在BC上的運動可等效為單擺，難度適中．