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在光滑的水平桌面上有一质量为M的小球,固定在一倔强系数为k的弹簧上。一质量为m的子弹射入小球,在碰撞的瞬间子弹速度为,方向沿弹簧轴(如下图)。若认为碰撞是完全非弹性的,并
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在光滑的水平桌面上有一质量为M的小球,固定在一倔强系数为k的弹簧上。一质量为m的子弹射入小球,在碰撞的瞬间子弹速度为,方向沿弹簧轴(如下图)。若认为碰撞是完全非弹性的,并忽略弹簧的质量和空气阻力,求:小球的振幅和振动周期。____
▼优质解答
答案和解析
【分析】子弹与小球作用过程时间极短,作用力大,所以由动量守恒定律可求出二者共同的速度。之后小球开始压缩弹簧,当速度减小为零时弹性势能最大,之后小球被反弹,速度逐渐增大;当运动至碰撞点时速度达到最大,之后小球拉伸弹簧,小球动能减小;当小球速度减小至零时弹簧弹性势能最大,由受力可知,小球在与其位移方向相反的力的作用下运动,符合做简谐运动的力学特征,由周期公式可得振动周期。
碰后,由动量守恒得子弹和球共同速度:
\n
\n以后小球压缩弹簧。
\n当小球的动能变为零时,弹簧的势能达到最大值。
\n小球离平衡位置的位移达到最大值:
\n
\n由能量守恒:
\n
\n得:
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\n小球作简谐振动的周期为:
\n
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\n以后小球压缩弹簧。
\n当小球的动能变为零时,弹簧的势能达到最大值。
\n小球离平衡位置的位移达到最大值:
\n
\n由能量守恒:
\n
\n得:
\n
\n小球作简谐振动的周期为:
\n
【点评】本题为水平方向的弹簧振子模型,实际上对于弹簧振子的启动通常是将振子拉离平衡位置一段距离,外界对弹簧做功,转化为弹簧的弹性势能,使振子从最大位移处开始启动;此题的启动是子弹给振子一个冲量,使振子从平衡位置开始振动。
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