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如图所示,光滑水平面MN的左端M处有一弹射装置P(P为左端固定,处于压缩状态且锁定的轻质弹簧,当A与P碰撞时P立即解除锁定),右端N处与水平传送带恰平齐且很靠近,传送带沿逆时针方向以恒定速率υ =5m/s 匀速转动,水平部分长度L = 4m。放在水平面上的两相同小物块A、B(均视为质点)间有一被压缩的轻质弹簧,弹性势能Ep = 4J,弹簧与A相连接,与B不连接,A、B与传送带间的动摩擦因数μ = 0.2,物块质量mA = mB = 1kg。现将A、B由静止开始释放,弹簧弹开,在B离开弹簧时,A未与P碰撞,B未滑上传送带。取g = 10m/s2。求:

(1)B滑上传送带后,向右运动的最远处与N点间的距离sm;

(2)B从滑上传送带到返回到N端的时间t和这一过程中B与传送带间因摩擦而产生的热  能Q;

(3)B回到水平面后压缩被弹射装置P弹回的A上的弹簧,B与弹簧分离然后再滑上传       送带。则P锁定时具有的弹性势能E满足什么条件,才能使B与弹簧分离后不再与弹簧相碰。

 

答案

(1)弹簧弹开的过程中,系统机械能守恒

       Ep = mAυA2 + mBυB2                     (1分)

    由动量守恒有   mAυA- mBυB =0                (1分)

   联立以上两式解得  υA = 2m/s     υB = 2m/s     (1分)

   B滑上传送带做匀减速运动,当速度减为零时,向右运动的距离最大。

   由动能定理得    -μmBgsm = 0 - mBυB2          (1分)

   解得            sm = = 1m               (1分)

(2)物块B先向右做匀减速运动,直到速度减小到零,然后反方向做匀加速运动,      回到皮带左端时速度大小仍为υB = 2m/s               (1分)

由动量定理  - μmBgt = - mBυB- mBυB                  (1分)

解得        t = =2s                          (1分)

B向右匀减速运动因摩擦而产生的热能为

   Q1 = μmBg(υ · + sm)                            (1分)

B向左匀加速运动因摩擦而产生的热能为

   Q2 = μmBg(υ · - sm)                             (1分)

   Q = Q1 + Q2 = μmBgυt =20J                      (1分)

(3)设弹射装置P将A弹开时的速度为υA′,则

    E = mAυA2- mAυA2                          (2分)

B离开弹簧时,AB速度互换,B的速度   υB′ =υA′       (2分)

B与弹簧分离后不再与弹簧相碰,则B滑出平台Q端,由能量关系有

   mBυB2 > μmB gL                                (2分)

以上三式解得

    E > μmA gL- mAυA2                            (2分)

代入数据解得     E>6J                            (1分)

解析:略

 

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