Question

直立轻弹簧的下端与水平地面上质量为M=0，20kg的甲木块连接，轻弹簧上端静止于A点（如图1），再将质量也为M=0.20kg乙木块与弹簧的上端连接，当甲、乙及弹簧均处于静止状态时，弹簧上端位于B点（如图2）。现向下用力压乙，当弹簧上端下降到C点时将弹簧锁定，C、A两点间的距离为△l=6.0cm。一个质量为m=0.10kg的小球丙从距离乙正上方h=0.45m处自由落下（如图3），当丙与乙刚接触时，弹簧立即被解除锁定，之后，丙与乙发生弹性碰撞（碰撞时间极短），碰撞后取走小球丙，当甲第一次刚离开地面时乙的速度为v=2.0m/s。求从弹簧被解除锁定至甲第一次刚离开地面时，弹簧弹性势能的改变量。（g=10m/s²）

Answer 1

减少0.16J

解析:

设丙自由下落h时速度为，根据自由落体运动规律  m/s ①  1分

解除锁定后，乙与丙发生弹性碰撞，设碰后乙、丙的速度分别为，根据动量守恒定律               ②  1分

且满足                                  ③  1分

联立①②③解得    （舍去）           ④  4分

碰后，乙立即以m/s的速度从C点向下运动，从此时起直到甲第一次刚离开地面的时间内，乙在自身重力和弹簧弹力的共同作用下以B点为平衡位置做简谐运动（如图）。

 

当乙第一次回到平衡位置B时，弹簧相对原长的压缩量（图2）      ⑤  1分

当甲第一次刚离开地面时，弹簧相对原长的伸长量（图4）          ⑥  1分

由于甲第一次刚离开地面时乙的速度为v=2.0m/s，v和等大反向，所以根据简谐振动的对称性可知      ⑦  3分  故  cm       ⑧1分

从碰撞结束至甲第一次刚离开地面时，对于乙和弹簧组成的系统，动能变化量为

        （2分）

根据功能关系，系统重力势能的增加量等于弹性势能的减少量 

                                                           ⑨  2分

重力势能的增加量                                    ⑩  1分

所以弹簧弹性势能的减少量为  J                     2分