Question

如图所示，在倾角为θ的光滑斜面上端系着一劲度系数为k的轻弹簧，弹簧的下端连有一质量为m的小球．球被一垂直于斜面的挡板A挡住，此时弹簧没有形变．若手持挡板A以加速度a（a＜＜gsinθ）沿斜面向下做匀加速运动．求：

（1）从挡板开始运动到球与挡板分离所经历的时间t

（2）从挡板开始运动到小球的速度达到最大，球所经过的路程．

Answer

（1）从挡板开始运动到球与挡板分离所经历的时间t是．

（2）从挡板开始运动到小球的速度达到最大，球所经过的路程是．

【解析】

试题分析：（1）从开始运动到小球与挡板分离的过程中，挡板A始终以加速度a匀加速运动，小球与挡板刚分离时，相互间的弹力为零，由牛顿第二定律和胡克定律结合求得小球的位移，由挡板运动的位移可以求得物体运动的时间．

（2）对球受力分析可知，当球受力平衡时，速度最大，此时弹簧的弹力与物体重力沿斜面的分力相等，由胡克定律和平衡条件即可求得路程．

【解析】
（1）设球与挡板分离时位移为s，经历的时间为t，

从开始运动到分离的过程中，m受竖直向下的重力，垂直斜面向上的支持力FN，沿斜面向上的挡板支持力F1和弹簧弹力F．

根据牛顿第二定律有 mgsinθ﹣F﹣F1=ma，

F=kx．

随着x的增大，F增大，F1减小，保持a不变，

当m与挡板分离时，F1减小到零，则有：

mgsinθ﹣kx=ma，

又x=at2

联立解得 mgsinθ﹣k•at2=ma，

所以经历的时间为 t=．

（2）球和挡板分离后做加速度减小的加速运动，当加速度为零时，速度最大，此时物体所受合力为零．

即 kxm=mgsinθ，

解得 xm=．

所以速度最大时运动的路程为．

答：（1）从挡板开始运动到球与挡板分离所经历的时间t是．

（2）从挡板开始运动到小球的速度达到最大，球所经过的路程是．

【点评】在挡板运动的过程中，挡板对球的支持力的大小是在不断减小的，从而可以使球和挡板一起以恒定的加速度运动，在运动的过程中物体的受力在变化，但是物体的运动状态不变，从而可以求得物体运动的位移和运动的时间．