如图(a),一质量为 m 的物块 A 与轻质弹簧连接,静止…——2022 高考物理第 12 题答案解析

2022_全国乙卷

2022 全国 第 12 题 解答题 区分题
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12. 如图(a),一质量为 m 的物块 A 与轻质弹簧连接,静止在光滑水平面上:物块 B 向 A 运动,t = 0时与弹簧接触,到 $t = 2 t _ { 0 }$ 时与弹簧分离,第一次碰撞结束,A、B 的v t - 图像如图(b)所示。已知从 $t = 0$ 到 $t = t _ { 0 }$ 时间内,物块A 运动的距离为 $0 . 3 6 \nu _ { 0 } t _ { 0 }$ 。A、B 分离后,A 滑上粗糙斜面,然后滑下,与一直在水平面上运动的 B 再次碰撞,之后 A 再次滑上斜面,达到的最高点与前一次相同。斜面倾角为$\theta ( \sin \theta = 0 . 6 )$ ,与水平面光滑连接。碰撞过程中弹簧始终处于弹性限度内。求

(1)第一次碰撞过程中,弹簧弹性势能的最大值;

(2)第一次碰撞过程中,弹簧压缩量的最大值;

(3)物块A 与斜面间的动摩擦因数。


图(a)


图(b)

参考答案

(1) $0 . 6 m \nu _ { 0 } ^ { 2 }$; (2) $0 . 7 6 8 \nu _ { 0 } t _ { 0 }$; (3) 0.45

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【答案】(1) $0 . 6 m \nu _ { 0 } ^ { 2 }$ ;(2) $0 . 7 6 8 \nu _ { 0 } t _ { 0 }$ ;(3) 0.45

【解析】

【详解】(1)当弹簧被压缩最短时,弹簧弹性势能最大,此时A 、B速度相等,即 $t = t _ { 0 }$ 时刻,根据动量守恒定律

$$ m _ { \scriptscriptstyle B } \cdot 1 . 2 \nu _ { \scriptscriptstyle 0 } = ( m _ { \scriptscriptstyle B } + m ) \nu _ { \scriptscriptstyle 0 } $$

根据能量守恒定律

$$ E _ { \mathrm { p m a x } } = \frac { 1 } { 2 } m _ { B } ( 1 . 2 \nu _ { 0 } ) ^ { 2 } - \frac { 1 } { 2 } ( m _ { B } + m ) \nu _ { 0 } ^ { 2 } $$

联立解得

$$ m _ { B } = 5 m $$

$$ E _ { \mathrm { p m a x } } = 0 . 6 m \nu _ { \mathrm { 0 } } ^ { 2 } $$

(2)解法一:同一时刻弹簧对A 、B的弹力大小相等,根据牛顿第二定律

$$ F = m a $$

可知同一时刻

$$ a _ { \scriptscriptstyle A } = 5 a _ { \scriptscriptstyle B } $$

则同一时刻A 、B的的瞬时速度分别为

$$ \nu _ { _ { A } } = a _ { _ { A } } t \ , \nu _ { _ { B } } = 1 . 2 \nu _ { _ { 0 } } - \frac { a _ { _ A } t } { 5 } $$

根据位移等速度在时间上的累积可得

$$ s _ { \scriptscriptstyle A } = \nu _ { \scriptscriptstyle A } t ( \sharp \sharp \sharp \sharp ) , s _ { \scriptscriptstyle B } = \nu _ { \scriptscriptstyle B } t ( \sharp \sharp \sharp ) $$

又

$$ s _ { \scriptscriptstyle A } = 0 . 3 6 \nu _ { \scriptscriptstyle 0 } t _ { 0 } $$

解得

$$ s _ { B } = 1 . 1 2 8 \nu _ { 0 } t _ { 0 } $$

第一次碰撞过程中,弹簧压缩量的最大值

$$ \Delta s = s _ { _ B } - s _ { _ A } = 0 . 7 6 8 \nu _ { _ 0 } t _ { 0 } $$

解法二:B接触弹簧后,压缩弹簧的过程中,A、B动量守恒,有

$$ m _ { B } \times 1 . 2 \nu _ { 0 } = 6 m \nu _ { 0 } = m _ { B } \nu _ { B } + m \nu _ { A } $$

对方程两边同时乘以时间Dt,有

$$ 6 m \nu _ { 0 } \Delta t = 5 m \nu _ { _ B } \Delta t + m \nu _ { _ A } \Delta t $$

$0 { - } t _ { 0 }$ 之间,根据位移等速度在时间上的累积,可得

$$ 6 m { \nu } _ { 0 } t _ { 0 } = 5 m { s } _ { B } + m { s } _ { A } $$

将 $s _ { \scriptscriptstyle A } = 0 . 3 6 \nu _ { \scriptscriptstyle 0 } t _ { 0 }$ 代入可得

$$ s _ { B } = 1 . 1 2 8 \nu _ { 0 } t _ { 0 } $$

则第一次碰撞过程中,弹簧压缩量的最大值

$$ \Delta s = s _ { _ B } - s _ { _ A } = 0 . 7 6 8 \nu _ { _ 0 } t _ { 0 } $$

(3)物块A 第二次到达斜面的最高点与第一次相同,说明物块A第二次与B分离后速度大小仍为 $2 \nu _ { 0 }$ 方向水平向右,设物块A第一次滑下斜面的速度大小为 $\nu _ { _ A } ^ { ^ { \prime } }$ ,设向左为正方向,根据动量守恒定律可得

$$ m \dot { \nu _ { _ A } } - 5 m \cdot 0 . 8 \nu _ { _ 0 } = m \cdot ( - 2 \nu _ { _ 0 } ) + 5 m \nu _ { _ B } ^ { ^ { . } } $$

根据能量守恒定律可得

$$ { \frac { 1 } { 2 } } m \nu _ { A } ^ { ^ { 2 } } + { \frac { 1 } { 2 } } { \cdot } 5 m { \cdot } ( 0 . 8 \nu _ { 0 } ) ^ { 2 } = { \frac { 1 } { 2 } } m { \cdot } ( - 2 \nu _ { 0 } ) ^ { 2 } + { \frac { 1 } { 2 } } { \cdot } 5 m \nu _ { B } ^ { ^ { 2 } } $$

联立解得

$$ \nu _ { _ { A } } ^ { \prime } = \nu _ { _ { 0 } } $$

**方法一**:设在斜面上滑行的长度为L,上滑过程,根据动能定理可得

$$ - m g L \sin \theta - \mu m g L \cos \theta = 0 - \frac { 1 } { 2 } m ( 2 \nu _ { 0 } ) ^ { 2 } $$

下滑过程,根据动能定理可得

$$ m g L \sin \theta - \mu m g L \cos \theta = \frac { 1 } { 2 } m \nu _ { 0 } ^ { 2 } - 0 $$

联立解得

$$ \mu = 0 . 4 5 $$

**方法二**:根据牛顿第二定律,可以分别计算出滑块A 上滑和下滑时的加速度,

$$ m g \sin \theta + \mu m g \cos \theta = m a _ { \scriptscriptstyle \perp } , m g \sin \theta - \mu m g \cos \theta = m a _ { \scriptscriptstyle \perp } $$

上滑时末速度为0,下滑时初速度为0,由匀变速直线运动的位移速度关系可得

$$ 2 a _ { \mathrm { \scriptsize ~ E } } x = ( 2 \nu _ { \mathrm { 0 } } ) ^ { 2 } - 0 , 2 a _ { \mathrm { \scriptsize ~ F } } x = { \nu _ { \mathrm { \scriptsize ~ 4 } } } ^ { \mathrm { \scriptsize ~ \it ~ 2 } } = { \nu _ { \mathrm { 0 } } } ^ { \mathrm { \scriptsize ~ \it 2 } } $$

联立可解得

$$ \mu = 0 . 4 5 $$

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