解题思路:(1)对A、B进行受力分析,由牛顿第二定律求出A、B的加速度,由匀变速运动的运动规律求出A、B的位移,根据它们位移间的几何关系,求出力的作用时间.
(2)由匀变速运动的速度公式求出撤去拉力后A、B的速度,由动量守恒定律与能量守恒定律列方程,可以求出弹簧的最大弹性势能.
(3)分析清楚AB的运动过程,应用动量守恒定律、能量守恒定律分析答题.
(1)开始时A、B均向左做初速度为零的匀加速直线运动,
由牛顿第二定律得:
对于A:μmg=maA,解得:aA=2m/s2,
对B:F-μmg=MaB,解得:aB=3m/s2,
A、B间的位移关系是:sB-sA=L,
由x=[1/2]at2,得:[1/2]aBt2-[1/2]aAt2=L,
入数据解得:t=1s;
(2)由v=at得:1s末vA=aAt=2m/s,vB=aBt=3 m/s,
撤去外力F后弹簧被压缩,A继续加速,B开始减速,加速度均变大,
当A、B速度相同时弹簧压缩量最大,具有最大弹性势能,
以A、B组成的系统为研究对象,由动量守恒定律可得:mvA+MvB=(M+m)v,
由能量守恒定律得:弹簧贮存的最大弹性势能为:
Em=[1/2]mvA2+[1/2]MvB2 -[1/2](M+m)v2,解得:Em=0.4J;
(3)从弹簧压缩最短开始,在弹力作用下A将向左做加速度减小的加速运动,
B做加速度减小的减速运动,直到A与弹簧分离,设此时A、B速度分别为vA′、vB′.
由动量守恒定律得:mvA+MvB=mvA′+MvB′,
由能量守恒定律得:[1/2]mvA2+[1/2]MvB2=[1/2]mvA′2+[1/2]MvB′2,
代入数据解得:υA′=3.6m/s,υB′=2.6m/s.
弹簧再次恢复原长后,A将进入粗糙区做匀减速运动,B做匀加速运动,
现假设A不会从B上掉下,最终A、B以共同的速度运动,
AB组成的系统动量守恒,由动量守恒得:此时的共同速度与弹簧弹性势能最大时的共同速度相同.
那么,从能量转化守恒知,弹簧的最大弹性势能将全部转化为此过程摩擦生热即:Em=μmg△s
代入数据得△s=0.2m,因△s<L,故A不会从B上掉下来,最后A、B以相同速度向左做匀速运动.
答:(1)恒力F的作用时间为1s;
(2)弹簧贮存的最大弹性势能0.4J;
(3)弹簧再次恢复原长时,A、B速度分别是:3.6m/s,2.6m/s;最终A不会从B上落下.
点评:
本题考点: 动量守恒定律;匀变速直线运动的位移与时间的关系;牛顿第二定律;能量守恒定律.
考点点评: 本题是一道综合题,难度较大,分析清楚物体的运动过程,对各物体正确受力分析、应用牛顿第二定律、动量守恒定律与能量守恒定律是正确解题的关键.