[示例] (20分)如图所示,在光滑水平桌面EAB上有质量为M=0.2 kg的小球P和质量为m=0.1 kg的小球Q,P、Q之间压缩一轻弹簧(轻弹簧与两小球不拴接),桌面边缘E处放置一质量也为m=0.1 kg的橡皮泥球S,在B处固定一与水平桌面相切的光滑竖直半圆形轨道。释放被压缩的轻弹簧,P、Q两小球被轻弹簧弹出,小球P与弹簧分离后进入半圆形轨道,恰好能够通过半圆形轨道的最高点C;小球Q与弹簧分离后与桌面边缘的橡皮泥球S碰撞后合为一体飞出,落在水平地面上的D点。已知水平桌面高为h=0.2 m,D点到桌面边缘的水平距离为x=0.2 m,重力加速度为g=10 m/s2,求:
(1)小球P经过半圆形轨道最低点B时对轨道的压力大小F′NB;
(2)小球Q与橡皮泥球S碰撞前瞬间的速度大小vQ;
(3)被压缩的轻弹簧的弹性势能Ep。
审题破题:(1)“P、Q两小球被轻弹簧弹出”动量守恒定律和能量守恒定律。
(2)“小球P……恰好能够通过半圆形轨道的最高点C”Mg=。
(3)“小球Q……球S碰撞后为一体”动量守恒定律。
(4)“小球Q……一体飞出”二者一起做平抛运动。
[规律解答] (1)小球P恰好能通过半圆形轨道的最高点C,则有Mg=M (1分)
解得vC= (1分)
对于小球P,从B→C,
由动能定理有-2MgR=Mv-Mv (2分)
解得vB= (1分)
在B点有FNB-Mg=M (2分)
解得FNB=6Mg=12 N (1分)
由牛顿第三定律有F′NB=FNB=12 N。 (1分)
(2)设Q与S做平抛运动的初速度大小为v,所用时间为t,
根据公式h=gt2得
t=0.2 s (1分)
根据公式x=vt,得v=1 m/s (1分)
碰撞前后Q和S组成的系统动量守恒,则有
mvQ=2mv (2分)
解得vQ=2 m/s。 (1分)
(3)P、Q和弹簧组成的系统动量守恒,则有MvP=mvQ (2分)
解得vP=1 m/s (1分)
P、Q和弹簧组成的系统,由能量守恒定律有
Ep=Mv+mv (2分)
解得Ep=0.3 J。 (1分)
[答案] (1)12 N (2)2 m/s (3)0.3 J