Question

小軍看到打樁機(jī)，對打樁機(jī)的工作原理產(chǎn)生了興趣．他構(gòu)建了一個打樁機(jī)的簡易模型，如圖甲所示．他設(shè)想，用恒定大小的拉力F拉動繩端B，使物體從A點(diǎn)（與釘子接觸處）由靜止開始運(yùn)動，上升一段高度后撤去F，物體運(yùn)動到最高點(diǎn)后自由下落并撞擊釘子，將釘子打入一定深度．按此模型分析，若物體質(zhì)量m=1kg，上升1m高度時(shí)撤去拉力，撤去拉力前物體的動能E_k與上升高度h的關(guān)系圖象如圖乙所示．（g取10m/s²，不計(jì)空氣阻力）
（1）求物體上升到0.4m高度處F的瞬時(shí)功率．
（2）若物體撞擊釘子后瞬間彈起，且使其不再落下，釘子獲得20J的動能向下運(yùn)動．釘子總長為10cm．撞擊前插入部分可以忽略，不計(jì)釘子重力．已知釘子在插入過程中所受阻力f與深度x關(guān)系圖象如圖丙所示，求釘子能夠陷入的最大深度．

Answer 1

分析：（1）動能與勢能之和是物體的機(jī)械能，由圖2所示圖象可以求出物體上升0.4m時(shí)物體的速度，根據(jù)動能定律求得力F的大小，然后代入功率的計(jì)算式即可；
（2）釘子在插入過程中所受阻力f對釘子做功，數(shù)值等于釘子動能的改變，根據(jù)動能定律即可求得結(jié)果．

解答：解：（1）撤去F前，根據(jù)動能定理，有
（F-mg）h=E_k-0                           
由圖象乙得，斜率為k=F-mg=20N，
代入數(shù)據(jù)解得F=30N，
又由圖象得，h=0.4m時(shí)，E_k=8J，即v=4m/s
代入數(shù)據(jù)解得：P_F=Fv=120W．
（2）碰撞后，對釘子，有-fx?=0-E_k?
E_k?=20J
f=

k′x′

2

又由圖象丙得k′=10⁵N/m                     
代入數(shù)據(jù)解得：x′=0.02m
答：（1）物體上升到0.4m高度處F的瞬時(shí)功率為120W．（2）釘子能夠陷入的最大深度為0.02m．

點(diǎn)評：物體動能與勢能之和是物體的機(jī)械能，分析清楚圖象，應(yīng)用牛頓第二定律、運(yùn)動學(xué)公式、功率公式等知識即可正確解題．