高中 | 牛顿第二定律的两类基本问题 题目答案及解析

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必修1

第四章 牛顿运动定律

4.6 用牛顿运动定律解决问题(一)

牛顿第二定律的两类基本问题

如图所示,一轻弹簧竖直放置,两端分别固定物体$B$$C$,此时$B$$C$处于静止状态,$O$点是弹簧处于原长时物体$B$上表面所处的位置,$B$$O$间距离为$x$。把一物体$A$从静止释放,释放时$A$$B$之间的距离为$h$,物体$A$和物体$B$的质量均为$m$,发生碰撞后粘在一起向下运动(以后不再分开),压缩弹簧然后上升到最高点时,物体$B$的上表面刚好到达$D$点,$O$$D$之间距离也为$x$,重力加速度为$g$,物体$C$始终静止,下列说法正确的是$(\qquad)$

["

物体$C$的质量不可能等于$m$

","

运动到$D$点时,$A$$B$之间弹力为零

","

碰撞后瞬间物体$B$的速度为$\\dfrac{\\sqrt{2gh}}{2}$

","

碰撞后$AB$物体做简谐运动的振幅是$2x$

"]
[["C"]]

$\rm A$.因为$C$始终静止,当运动至$D$点时,$O$$D$之间距离也为$x$,由胡克定律可知弹簧的弹力等于物体$B$的受到的重力,所以物体$C$的质量要大于或等于$m$,故$\rm A$错误;

$\rm B$$A$$B$运动到$D$点时,弹簧处于拉伸状态,设此时$A$$B$的共同加速度为$a$,对$A$受力分析,根据牛顿第二定律可得$mg+F_{BA}=ma$

$A$$B$整体受力分析则有$2mg+k ⋅ x=2ma$

结合上述分析可知$kx=mg$

联立解得$F_{\text{BA}}=\dfrac{1}{2}mg$,故$\rm B$错误;

$\rm C$.由运动学公式$mgh=\dfrac{1}{2}mv_{0}^{2}$

可得碰撞前物体$A$的速度$v_{0}=\sqrt{2gh}$

根据动量守恒定律可得$mv_{0}=2mv$

解得碰撞后瞬间物体$B$的速度为$v=\dfrac{\sqrt{2gh}}{2}$

$\rm C$正确;

$\rm D$.设$A$$B$简谐振动的平衡位置距$O$点为$x_{0}$,则有$2mg=kx_{0}$$mg=kx$

解得$x_{0}=2x$

则碰撞后$AB$物体做简谐运动的振幅是$A=x_{0}+x=3x$,故$\rm D$错误。

故选:$\rm C$

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