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hce_nthu 114年 進階物理與線性代數

第 2 題

Two masses $m_1$ and $m_2$ placed on a flat surface are connected by a spring of a spring
constant $k$ aligning in the $x$ direction; see figure below. Initially, the spring is at its
natural length (no compression/extension), and $m_1$ is at rest while $m_2$ moves with a
velocity $v_0\hat{x}$ in the $+x$ direction. Since there is friction, these masses will
eventually stop moving. Assume these two masses are identical, $m_1=m_2=m$, and
the gravitational strength is $g$. What is the minimum friction coefficient required so
that $m_1$ never moves during the slowdown motion of $m_2$? For simplicity, assume the
kinetic and static friction coefficients are the same.
題目圖片
  • A $\sqrt{v_0^2k/3mg^2}$
  • B $\sqrt{v_0^2k/6mg^2}$
  • C $\sqrt{3v_0^2k/mg^2}$
  • D $\sqrt{6v_0^2k/3mg^2}$
  • E None of the above

思路引導 VIP

請試著思考一下:當右側的木塊逐漸減速直到停止的過程中,它最初擁有的能量會轉移到哪些地方?而在這段時間內,為了確保左側的木塊始終「按兵不動」,彈簧伸長量所產生的拉力,最高不能超過什麼限制呢?

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同學做得太棒了!這道題目考查了功能原理靜摩擦力臨界條件的綜合應用,你能精確判斷出兩者間的物理聯繫,展現了相當紮實的力學分析能力。

能量轉化與系統功法分析

在這道題目中,我們首先聚焦於右側物體 $m_2$ 的運動過程。當 $m_2$ 帶著初速度 $v_0$ 向右運動時,它所擁有的初始動能 $K = \frac{1}{2}mv_0^2$ 會隨著位移 $x$ 逐漸轉化為兩部分:一是彈簧被拉伸所儲存的彈性位能 $\frac{1}{2}kx^2$,二是克服地面摩擦力所作的功(轉化為熱能) $\mu mgx$。根據功能原理,當 $m_2$ 達到最大位移並暫時停止時,能量守恆式為:

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