Question

探究某種筆的彈跳問題時(shí)，把筆分為輕質(zhì)彈簧、內(nèi)芯和外殼三部分，其中內(nèi)芯和外殼質(zhì)量分別為m和4m。筆的彈跳過程分為三個(gè)階段：①把筆豎直倒立于水平硬桌面，下壓外殼使其下端接觸桌面（如圖a）；②由靜止釋放，外殼豎直上升至下端距桌面高度為h₁時(shí)，與靜止的內(nèi)芯碰撞（如圖b）；③碰后，內(nèi)芯與外殼以共同的速度一起上升到外殼下端距桌面最大高度為h₂處（如圖c）。設(shè)內(nèi)芯與外殼的撞擊力遠(yuǎn)大于筆所受重力、不計(jì)摩擦與空氣阻力，重力加速度為g。求：
（1）外殼與內(nèi)芯碰撞后瞬間的共同速度大��；
（2）從外殼離開桌面到碰撞前瞬間，彈簧做的功；
（3）從外殼下端離開桌面到上升至h₂處，筆損失的機(jī)械能。

Answer 1

解：設(shè)外殼上升高度h₁時(shí)速度為V₁，外殼與內(nèi)芯碰撞后瞬間的共同速度大小為V₂
（1）對(duì)外殼和內(nèi)芯，從撞后達(dá)到共同速度到上升至h₂處，應(yīng)用動(dòng)能定理有
(4mg＋m)( h₂－h(huán)₁)＝(4m＋m)V₂²，解得V₂＝
（2）外殼和內(nèi)芯，碰撞過程瞬間動(dòng)量守恒，有
4mV₁＝(4mg＋m)V₂，解得V₁＝
設(shè)從外殼離開桌面到碰撞前瞬間彈簧做功為W，在此過程中，對(duì)外殼應(yīng)用動(dòng)能定理有
W－4mgh₁＝(4m)V₁²，解得W＝mg
（3）由于外殼和內(nèi)芯達(dá)到共同速度后上升高度h₂的過程，機(jī)械能守恒，只是在外殼和內(nèi)芯碰撞過程有能量損失，損失的能量為＝(4m)V₁²－(4m＋m)V₂²
聯(lián)立解得＝mg(h₂－h(huán)₁)