质量为m的钢板与直立轻弹簧的上端连接,弹簧下端固定在地上.平衡时,弹簧的压缩量为x₀,如图所示.一物块从钢板正上方距离为3x₀的A处自由落下,打在钢板上并立刻与钢板一起向下运动,但不粘连.它们到达最低点后又向上运动.已知物块质量也为m时,它们恰能回到O点.若物块质量为2m,仍从A处自由落下,则物块与钢板回到O点时,还具有向上的速度.

求物块向上运动到达的最高点与O点的距离.

解：物块与钢板碰撞时的速度:        ①

设v₁表示质量为m的物块与钢板碰撞后一起开始向下运动的速度,因碰撞时间极短,动量守恒,

                                                                  ②

刚碰完时弹簧的弹性势能为E_P.当它们一起回到O点时,弹簧无形变,弹性势能为零,根据题给条件,这时物块与钢板的速度为零,由机械能守恒,

                        ③

设v₂表示质量为2m的物块与钢板碰撞后开始一起向下运动的速度,则有

                                                                  ④

仍继续向上运动,设此时速度为v,则有

           ⑤

在以上两种情况中,弹簧的初始压缩量都是x₀,故有

                                                           ⑥

当质量为2m的物块与钢板一起回到O点时,弹簧的弹力为零,物块与钢板只受到重力作用,加速度为g.一过O点,钢板受到弹簧向下的拉力作用,加速度大于g.由于物块与钢板不粘连,物块不可能受到钢板的拉力,其加速度仍为g.故在O点物块与钢板分离,分离后,物块以速度v竖直上升,则由以上各式解得,物块向上运动所到最高点与O点的距离为

                       ⑦