Question

【題目】動(dòng)量守恒定律和能量守恒定律是自然界的基本規(guī)律，請(qǐng)結(jié)合相關(guān)知識(shí)完成下列問題：

（1）如圖所示質(zhì)量為m和M的兩個(gè)物塊放置在光滑水平地面上，M的左側(cè)連著一個(gè)輕彈簧，給m初始速度使其撞向M，在相互作用的過程中彈簧始終處于彈性限度內(nèi)。若m的初速度大小為v0，求在m通過彈簧和M相互作用過程中彈簧的最大彈性勢能；

（2）近期熱播電影“流浪地球”引起了影迷對(duì)天文知識(shí)的關(guān)注，其中一個(gè)名詞“引力彈弓”更是成為人們談?wù)摰臒狳c(diǎn)，其實(shí)“引力彈弓”是指我們發(fā)射的深空探測器在探索太陽系或太陽系以外的宇宙空間過程中可以借助星球的引力實(shí)現(xiàn)助推加速，從而達(dá)到節(jié)省燃料，延長探測器有效工作時(shí)間的目的。例如1977年美國宇航局發(fā)射的旅行者一號(hào)空間探測器現(xiàn)已成為第一個(gè)飛出太陽系進(jìn)入星際介質(zhì)的探測器，它在運(yùn)行的過程中就借助了木星和土星的引力助推作用從而具有了飛出太陽系的動(dòng)能。

如圖所示為一個(gè)最簡單的“引力彈弓”模型，假設(shè)太陽系內(nèi)一探測器以大小為V的速度向右飛行，同時(shí)某一行星向左以大小為U的速度運(yùn)動(dòng)（V與U均以太陽為參考系），探測器在靠近行星的過程中被行星引力吸引改變運(yùn)動(dòng)方向并最終與行星同向運(yùn)動(dòng)并脫離行星。請(qǐng)你運(yùn)用所學(xué)知識(shí)證明此時(shí)探測器獲得的速度大小為2U+V（證明時(shí)可認(rèn)為探測器質(zhì)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于行星質(zhì)量，不考慮其它星體萬有引力的影響）。

Answer 1

【答案】（1） （2）設(shè)探測器質(zhì)量為m，行星質(zhì)量為M，脫離時(shí)探測器速度大小為V1，行星速度大小為V2，取行星和探測器系統(tǒng)為研究對(duì)象，U方向?yàn)檎�由�?dòng)量守恒定律可知：，探測器靠近和脫離行星時(shí)可認(rèn)為系統(tǒng)萬有引力勢能沒變，故由能量守恒有：，聯(lián)立可知：，

因?yàn)?/span>，所以，，所以，證畢。

【解析】

（1）取m、M系統(tǒng)為研究對(duì)象，V0方向?yàn)檎�方向�?/span>

由動(dòng)量守恒定律有： ①

由能量守恒定律有： ②

①②聯(lián)立有：

（2）設(shè)探測器質(zhì)量為m，行星質(zhì)量為M，脫離時(shí)探測器速度大小為V1，行星速度大小為V2，取行星和探測器系統(tǒng)為研究對(duì)象，U方向?yàn)檎?/span>

由動(dòng)量守恒定律可知： ⑤

探測器靠近和脫離行星時(shí)可認(rèn)為系統(tǒng)萬有引力勢能沒變，故由能量守恒有：

⑥

⑤⑥聯(lián)立可知：

因?yàn)?/span>，所以，，所以，證畢。