Question

15．如圖所示，P是傾角為30°的光滑固定斜面．勁度系數(shù)為k的輕彈簧一端固定在斜面底端的固定擋板C上，另一端與質(zhì)量  物塊A相連接．細(xì)繩另一端系物體A上，細(xì)繩跨過(guò)不計(jì)質(zhì)量和摩擦的定滑輪，另有一個(gè)不計(jì)質(zhì)量的小掛鉤，小掛鉤不掛任何物體時(shí)，物體A處于靜止?fàn)顟B(tài)，細(xì)繩與斜面平行．小掛鉤上輕輕掛上一個(gè)質(zhì)量也為m物塊B后，物體A沿斜面向上運(yùn)動(dòng)，斜面足夠長(zhǎng)，運(yùn)動(dòng)過(guò)程中物塊B始終未接觸地面．已知重力加速度為g=10m/s²
（1）求小掛鉤不掛任何物體時(shí)彈簧的壓縮量為x₁
（2）設(shè)物塊A沿斜面上升通過(guò)Q點(diǎn)位置時(shí)速度最大，求Q點(diǎn)到出發(fā)點(diǎn)距離x₀及最大速vm；
（3）把物塊B質(zhì)量變?yōu)閚m（n＞0.5），小明同學(xué)認(rèn)為，只要n足夠大，就可以使物塊A沿斜面上滑到Q點(diǎn)時(shí)速度增大到2v_m，你認(rèn)為是否正確？如果正確，請(qǐng)說(shuō)明理由，如果不正確，請(qǐng)求出A沿斜面上升到Q點(diǎn)位置時(shí)速度范圍．

Answer 1

分析 （1）小掛鉤不掛任何物體時(shí)，物體A處于靜止?fàn)顟B(tài)，由平衡條件求出彈簧的形變量；
（2）當(dāng)A受到的合力為零時(shí)速度最大，根據(jù)平衡條件求出形變量，再由機(jī)械能守恒定律可以求出最大速度．
（3）由機(jī)械能守恒定律求出A的速度，然后求出速度的大小范圍．

解答 解：（1）小掛鉤不掛任何物體時(shí)，物體A處于靜止?fàn)顟B(tài)，由平衡條件得：mgsin30°=kx，
得：x=$\frac{mg}{2k}$，
（2）當(dāng)A受到的合力為零時(shí)速度最大，此時(shí)：
mgsin30°+kx′=mg，
解得：x=x′=$\frac{mg}{2k}$，
Q點(diǎn)到出發(fā)點(diǎn)的距離：x₀=2x=$\frac{mg}{k}$；
在出發(fā)點(diǎn)與Q彈簧的形變量相同，彈簧的彈性勢(shì)能相等，
由機(jī)械能守恒定律得：mgx₀=mgx₀sin30°+$\frac{1}{2}$•2mv²，
解得，最大速度：v_m=g$\sqrt{\frac{m}{2k}}$；
（4）B的質(zhì)量變?yōu)閚m時(shí)，由機(jī)械能守恒定律得：
nmgx₀=mgx₀sin30°+$\frac{1}{2}$•（nm+m）v²，
解得：v=g$\sqrt{\frac{m（2n-1）}{k（n+1）}}$，
n→∞時(shí)，v=g$\sqrt{\frac{2m}{k}}$=2v_m，
由于n不會(huì)達(dá)到無(wú)窮大，因此速度不會(huì)達(dá)到2v_m，
小明的說(shuō)法是錯(cuò)誤的，速度范圍是：0＜v＜g$\sqrt{\frac{2m}{k}}$．
答：（1）小掛鉤不掛任何物體時(shí)彈簧的壓縮量為x₁為$\frac{mg}{2k}$；
（2）設(shè)物塊A沿斜面上升通過(guò)Q點(diǎn)位置時(shí)速度最大，Q點(diǎn)到出發(fā)點(diǎn)距離為$\frac{mg}{k}$，最大速為g$\sqrt{\frac{m}{2k}}$；
（3）小明的觀點(diǎn)錯(cuò)誤，A沿斜面上升到Q點(diǎn)位置時(shí)速度范圍為0＜v＜g$\sqrt{\frac{2m}{k}}$．

點(diǎn)評(píng) 本題考查牛頓第二定律的應(yīng)用及機(jī)械能守恒定律；要分析清楚物體的運(yùn)動(dòng)過(guò)程，應(yīng)用牛頓第二定律與機(jī)械能守恒定律可以正確解題，難度適中．