动量能量中“毛毛虫”模型的分析

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  在“动量和能量”这一模块中会遇到这样一种模型,两个光滑的小球A、B,将轻弹簧连接并使弹簧处于原长,某一时刻给A球一瞬时速度,则以后A、B两球和弹簧将一起在光滑水平面边压缩拉伸边向前运动,形成好玩的“毛毛虫”模型,现在我就结合几道简单的小题来剖析一下“毛毛虫”模型的运动过程及运动过程中的能量、动量特点,掌握了这种模型,很多看似复杂的习题都会变得有规律.先看一道例题:
  例已知水平面光滑,弹簧处于原长状态,A球质量为m,B球质量为M, A的初速度为v0,B静止(图1),分析A、B球以后的运动情况,并回答下列问题.
  (1)弹簧压缩到最短时,A、B两球的速度为多大?
  分析当A、B两球速度相等时,弹簧压缩最短,由动量守恒得mv0=(m M)v,即v=mv0m M.
  (2)弹簧伸长最长时,A、B两球的速度为多大?
  分析当A、B两球速度相等时,弹簧压缩最长,由动量守恒得mv0=(m M)v,即v=mv0m M.
  (3)弹簧压缩到最短时,弹簧的弹性势能多大?
  分析当弹簧压缩到最短时,由动量守恒和机械能守恒得mv0=(m M)v,
  12mv20=13(m M)v2 Ep,即Ep=Mmv202(M m).
  (4)弹簧伸长最长时,弹簧的弹性势能多大?
  分析当弹簧伸长最长时,由动量守恒和机械能守恒得
  mv0=(m M)v, 12mv20=12(m M)v2 Ep,
  即Ep=Mmv202(M m).
  (5)弹簧原长时,A、B两球的速度为多大?
  分析当弹簧原长时A、B速度分别为vA,vB由动量守恒和机械能守恒得
  mv0=mvA MvB,
  12mv20=12mv2A 12Mv2B,
  vA=(m-M)v0m M,vB=2mv0m M;
  另一组解vA=v0,vB=0,同学们可以想一想为什么会出现这一组解.
  (6)运动过程中B的最大速度为多大?
  分析当由压缩恢复到原长时B的速度最大,A、B速度分别为vA,vB,由动量守恒和机械能守恒得
  mv0=mvA MvB,
  12mv20=12mv2A 12Mv2B,
  vA=(m-M)v0m M,vB=2mv0m M.
  (7)运动过程中A的最小速度为多大?
  分析如果m≤M,A的最小速度为零.
  如果m>M,当由压缩恢复到原长时B的速度最大,A的速度最小,由(6)可得vA=(m-M)v0m M.
  在这个模型中,A由于具有速度而压缩弹簧,弹簧压缩后对B产生压力,由于vA>vB,所以弹簧一直被压缩,即A做减速运动,B做加速运动,直到vA=vB,此时弹簧被压缩得最短,之后B继续加速 ,A继续减速,vA  现在我们做个变式,体验一下掌握“毛毛虫”模型的方便性.
  变式如图2示,有四分之一光滑圆弧轨道的小车总质量为M.轨道半径为R, 下端水平,静止在光滑的水平地面上,有一质量为m的小球以水平初速度v0滑上小车,小球未由最高点滑出轨道,分析以后小球和小车的运动情况,仿照例1能提出以下问题并加以解答.
  以下是整理出可能出现的问题
  (1)滑到最高点时小球的速度?
  (2)小球能够滑到的最大高度?
  (3)小球和车分离时两者的速度?
  (4)若M=m, 小球离开车时将做什么运动?
  (5)若M>m, 小球离开车时将做什么运动?
  (6)若M  (7)若已知开始时刻小球距地面高度为H,求小球落地时与小车的距离为多少?若将小球未滑出轨道去掉呢?
  (8)小球在离开车时,车的速度为多少?
  (9)小球在离开车后将做什么运动?
  (10)小球在离开车时,小球的速度为多少?
  (11)小球离开车后,小球能上升的最大高度为多少?
  (12)小球离开车后,小球能否回到小车?
  答案(1)mv0M m(2)Mv202(M m)g
  (3)v1=m-MM mv0,v2=2mv0M m
  (4)自由落体运动(5)向左做平抛运动
  (6)向右做平抛运动(7)v02Hg(8) mv0M m
  (9)斜抛运动(10)M2 m2 Mm)v20(M m)2-2gR
  (11) Mv202(M m)g-R(12)能
  以上两题看似风马牛不相及,但它们却有着共同的特点,掌握这种物理模型的规律,让我们对物理知识的理解会更透彻,对物理的学习会更轻松有趣.
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