Question

4．如圖所示，在光滑水平地面上有一固定的擋板，擋板左端固定一個輕彈簧．現(xiàn)有一質(zhì)量M=3kg，長L=4m的小車（其中O為小車的中點，AO部分粗糙，OB部分光滑）一質(zhì)量為m=1kg的小物塊（可視為質(zhì)點），放在車的最左端，車和小物塊一起以v₀=4m/s的速度在水平面上向右勻速運動，車撞到擋板后瞬間速度變?yōu)榱�，但未與擋板粘連．已知車OB部分的長度大于彈簧的自然長度，彈簧始終處于彈性限度內(nèi)，小物塊與車AO部分之間的動摩擦因數(shù)為μ=0.3，重力加速度g=10m/s²．求：
①小物塊和彈簧相互作用的過程中，彈簧對小物塊的沖量；
②小物塊最終停在小車上的位置距A端多遠．

Answer 1

分析 （1）根據(jù)牛頓第二定律求出小物塊在AO段做勻減速直線運動的加速度大小，從而根據(jù)運動學公式求出小物塊與B彈簧接觸前的速度，根據(jù)能量守恒定律求出彈簧的最大彈性勢能．小物塊和彈簧相互作用的過程中，根據(jù)能量守恒定律求出小物塊離開彈簧時的速度，根據(jù)動量定理求出彈簧對小物塊的沖量．
（2）根據(jù)動量守恒定律求出小物塊和小車保持相對靜止時的速度，根據(jù)能量守恒定律求出小物塊在小車上有摩擦部分的相對路程，從而求出小物塊最終位置距離A點的距離．

解答 解：（1）對小物塊，有ma=-μmg
根據(jù)運動學公式${v}^{2}-{{v}_{0}}^{2}=2a\frac{L}{2}$
由能量關(guān)系$\frac{1}{2}m{v}^{2}={E}_{p}$，
解得E_P=2J．
設(shè)小物塊離開彈簧時的速度為v₁，有 $\frac{1}{2}m{{v}_{1}}^{2}={E}_{p}$．
對小物塊，根據(jù)動量定理 I=-mv₁-mv
由⑤⑥式并代入數(shù)據(jù)得I=-4kgm/s．
彈簧對小物塊的沖量大小為4kgm/s，方向水平向左．
（2）小物塊滑過O點和小車相互作用，由動量守恒mv₁=（m+M）v₂．
由能量關(guān)系$μmgx=\frac{1}{2}m{{v}_{1}}^{2}-\frac{1}{2}（m+M）{{v}_{2}}^{2}$
小物塊最終停在小車上距A的距離${x}_{A}=\frac{L}{2}-x$
解得x_A=1.5m．
答：（1）小物塊和彈簧相互作用的過程中，彈簧對小物塊的沖量大小為4kgm/s，方向水平向左．
（2）小物塊最終停在小車上的位置距A端為1.5m

點評 本題綜合考查了動量定理、動量守恒定律以及能量守恒定律，綜合性較強，對學生的能力要求較高，關(guān)于這方面的問題，需加強訓練．