Question

11．如图所示，在同一竖直平面内，一轻质弹簧一端固定，另一自由端恰好与水平线AB平齐，静止放于倾角为53°的光滑斜面上．一长为L=9cm的轻质细绳一端固定在O点，另一端系一质量为m=1kg的小球，将细绳拉至水平，使小球在位置C由静止释放，小球到达最低点D时，细绳刚好被拉断．之后小球在运动过程中恰好沿斜面方向将弹簧压缩，最大压缩量为x=5cm．（g=10m/s²，sin 53°=0.8，cos 53°=0.6）求：
（1）细绳受到的拉力的最大值；
（2）D点到水平线AB的高度h；
（3）弹簧所获得的最大弹性势能E_p．

Answer 1

分析 （1）根据机械能守恒定律求出小球在D点的速度，再根据竖直方向上的合力提供向心力，运用牛顿第二定律求出绳子的最大拉力．
（2）球在运动过程中恰好沿斜面方向将弹簧压缩，知绳子断裂后，做平抛运动，由平抛运动的规律求h．
（3）根据速度的合成求出A点的速度，根据系统机械能守恒求出弹簧的最大弹性势能．

解答 解：（1）小球由C到D，由机械能守恒定律得：mgL=$\frac{1}{2}$m${v}_{1}^{2}$
 解得：v₁=$\sqrt{2gL}$…①
在D点，由牛顿第二定律得：F-mg=m$\frac{{v}_{1}^{2}}{L}$…②
由①②解得：F=30 N
由牛顿第三定律知细绳所能承受的最大拉力为 30 N．
（2）由D到A，小球做平抛运动，则得  v_y²=2gh…③
由 tan53°=$\frac{{v}_{y}}{{v}_{1}}$…④
联立解得h=0.16m
（3）小球从C点到将弹簧压缩至最短的过程中，小球与弹簧系统的机械能守恒，即：
E_p=mg（L+h+xsin 53°）
代入数据得：E_p=2.9 J．
答：（1）细绳受到的拉力的最大值为30 N．　
（2）D点到水平线AB的高度h为0.16m．　
（3）弹簧所获得的最大弹性势能E_p为2.9 J

点评 本题考查了圆周运动、平抛运动等知识点，综合运用了牛顿第二定律、机械能守恒定律，关键是理清运动过程，选择合适的规律进行求解．