Question

如圖所示，質量為M=400g的鐵板固定在一根輕彈簧上方，鐵板的上表面保持水平．彈簧的下端固定在水平面上，系統處于靜止狀態．在鐵板中心的正上方有一個質量為m=100g的木塊，從離鐵板上表面高h=80cm處自由下落．木塊撞到鐵板上以后不再離開，兩者一起開始做往復運動．木塊撞到鐵板上以后，共同下降l₁=2.0cm的時刻，它們的共同速度第一次達到最大值．又繼續下降了l₂=8.0cm后，它們的共同速度第一次減小為零．空氣阻力忽略不計，彈簧的形變始終在彈性限度內，重力加速度取g=10m/s²．求：
（1）彈簧的勁度系數k．
（2）從木塊和鐵板共同開始向下運動到它們的共同速度第一次減小到零的過程中，彈簧的彈性勢能增加了多少？

Answer 1

（1）M靜止時，設彈簧壓縮量為l₀，則
Mg=kl₀ ①
速度最大時，M、m組成的系統加速度為零，則
（M+m）g-k（l₀+l₁）=0     ②
聯立①②解得：k=50N/m      ③
（2）m下落h過程中，mgh=

1

2

mv₀²                      ④
m沖擊M過程中，m與M系統動量守恒：m v₀=（M+m）v       ⑤
所求過程的彈性勢能的增加量：
△E=（M+m）g（l₁+l₂）+

1

2

（M+m）v² ⑥
聯立④⑤⑥解得：△E=0.66J   
答：（1）彈簧的勁度系數k為50N/m．
（2）從木塊和鐵板共同開始向下運動到它們的共同速度第一次減小到零的過程中，彈簧的彈性勢能增加了0.66J．