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如图所示,质量为M的长滑块静止在光滑水平面上,左侧固定一劲度系数k足够大的水平轻质弹簧,右侧用一不可伸长的细轻绳连接于竖直墙上,细绳所能承受的最大拉力为T.使一质量为m、初速度为v0的小物块,在滑块上无摩擦地向左滑动,而后压缩弹簧.(弹簧弹性势能的表达式Ep=
1
2
kx2,其中k为劲度系数,x为弹簧的压缩量)
(1)给出细绳被拉断的条件.
(2)滑块在细绳拉断后被加速的过程中,所能获得的最大向左加速度为多少.
(3)试证明:物体最后离开滑块时,相对地面不向右运动的条件是v0>
T
K(m-K)
,且m>M.
分析:(1)细绳恰好被拉断时,细绳的拉力恰好等于T,根据胡克定律求出弹簧的压缩量.在弹簧被压缩的过程中,物块的动能转化为弹簧的弹性势能,由机械能守恒求解细绳被拉断时物块的速度条件.
(2)滑块在细绳拉断后被加速的过程中,物块做减速运动,长滑块做加速运动,当两者速度相同时,弹簧压缩时x最大,M获得的加速度最大,根据系统动量守恒和机械能守恒求出弹簧最大压缩量,再由牛顿第二定律求解M最大的加速度.
(3)物体最后离开滑块时,相对地面不向右运动,即相对地面的速度为零,根据系统动量守恒和机械能守恒列式,求出v0的条件.
解答:解:(1)设细绳刚被拉断时弹簧的压缩量为x0,此时有 kx0=T
为使弹簧压缩达到x0,对小物块要求是
1
2
m
v
2
0
>
1
2
k
x
2
0

由此得到,细绳被拉断的条件是:v0>
T
mk

(2)绳断时,小物体速度为v1,则有
1
2
m
v
2
0
=
1
2
m
v
2
1
+
1
2
k
x
2
0
  
又kx0=T
解得v1=
v
2
0
-
T2
mk
  
而后M在弹力作用下由静止开始加速,直至与m达到共同速度v2,此时弹簧压缩时x最大,则由动量守恒和机械能守恒得
    mv1=(M+mv2
1
2
m
v
2
0
=
1
2
(M+m)
v
2
2
+
1
2
kx2

此时M的加速度最大为 a=
kx
M

联立解得a=
1
M
m
M+m
(kM
v
2
0
+T2)
 
(3)木板与小滑块通过弹簧作用完毕时,相对地面恰好不向右运动时,小滑块相对地面的速度应为0,设此时木板的速度为V1,并设小滑块压缩弹簧前的速度为v0′,绳断瞬间小滑块的速度为v1,则有     mv=MV1
1
2
m(v0′)2
=
1
2
M
V
2
1

由上解得小滑块最后离开木板时,相对地面速度为零的条件
v0′=
T
k(m-M)
,且m>M
所以物体最后离开滑块时,相对地面不向右运动的条件是v0>
T
K(m-K)
,且m>M.
答:(1)细绳被拉断的条件件是v0>
T
mk
.
(2)滑块在细绳拉断后被加速的过程中,所能获得的最大向左加速度为得a=
1
M
m
M+m
(kM
v
2
0
+T2)
.
(3)证明见上.
点评:本题是系统动量守恒和机械能守恒的综合应用,要挖掘所隐含的临界条件:细绳被拉断刚好被拉断时,细绳的拉力达到最大.
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