Question

如图所示，在竖直方向上A、B两物体通过劲度系数为k的轻质弹簧相连，A放在水平地面上；B、C两物体通过细绳绕过轻质定滑轮相连，C放在固定的光滑斜面上．用手拿住C，使细线刚刚拉直但无拉力作用，并保证ab段的细线竖直、cd段的细线与斜面平行．已知A、B的质量均为m，C的质量为4m，重力加速度为g，细线与滑轮之间的摩擦不计，开始时整个系统处于静止状态．释放C后它沿斜面下滑，A刚离开地面时，B获得最大速度，求：
（1）从释放C到物体A刚离开地面时，物体C沿斜面下滑的距离．
（2）斜面倾角α．
（3）B的最大速度v_Bm．

Answer

（1）A刚离开地面时，物体C沿斜面下滑的距离应该等于弹簧原来被压缩的长度再加上后来弹簧被拉长的长度，被压缩和被拉长的长度可以根据胡克定律求得；
（2）B获得最大速度时，B应该处于受力平衡状态，对B受力分析，可以求得斜面的倾角α；
（3）对于整个系统机械能守恒，根据机械能守恒列出方程就可以求得B的最大速度．
【解析】
（1）设开始时弹簧的压缩量xB，则
  kxB=mg    ①
设当物体A刚刚离开地面时，弹簧的伸长量为xA，则
   kxA=mg  ②
当物体A刚离开地面时，物体B上升的距离以及物体C沿斜面下滑的距离均为
   h=xA+xB     ③
由①②③式解得
  h=   ④
（2）物体A刚刚离开地面时，以B为研究对象，物体B受到重力mg、弹簧的弹力kxA、细线的拉力T三个力的作用，
设物体B的加速度为a，根据牛顿第二定律，
对B有
  T-mg-kxA=ma   ⑤
对C有
  4mgsinα-T=4ma  ⑥
由⑤、⑥两式得
  4mgsinα-mg-kxA=5ma  ⑦
当B获得最大速度时，有 a=0   ⑧
由②⑦⑧式联立，解得  sinα=   ⑨
所以：α=30°
（3）由于xA=xB，弹簧处于压缩状态和伸长状态时的弹性势能相等，且物体A刚刚离开地面时，B、C两物体的速度相等，
设为vBm，以B、C及弹簧组成的系统为研究对象，
由机械能守恒定律得：4mghsinα-mgh=（4m+m） VBm2    ⑩
由④、⑨、⑩式，解得：VBm2==2g
答：（1）从释放C到物体A刚离开地面时，物体C沿斜面下滑的距离是．
（2）斜面倾角α是30°．
（3）B的最大速度vBm是=2g．