Question

【题目】建筑工程中的“打桩”是利用重锤的冲击克服泥土对桩柱的阻力，使桩柱插入泥土到达预定深度的过程。如图甲 所示，设打桩机重锤的质量为m，桩柱的质量为M。打桩过程可简化如下：桩柱下端开始时在地表面没有进入泥土，提升重锤到距离桩柱上端h高度后使其自由落下，重锤撞击桩柱上端，经极短时间的撞击使两者以共同的速度一起向下移动一段距离后停止。然后再次提升重锤，重复打桩过程，逐渐把桩柱打到预定深度。设桩柱向下移动的过程中泥土对桩柱的阻力f的大小与桩柱打入泥土中的深度x成正比，其函数表达式f=kx（k为大于0的常量，具体值未知），f-x图象如图乙所示。已知重力加速度大小为g。

（1）求重锤与桩柱第一次碰撞后瞬间的共同速度大小；

（2）图象法和比较法是研究物理问题的重要方法，例如从教科书中我们明白了由v-t图象求直线运动位移的思想和方法，请你借鉴此方法，根据图示的f-x图象结合函数式f=kx，分析推导在第一次打桩将桩柱打入泥土的过程中阻力所做的功与桩柱打入泥土深度的关系式；并将泥土对桩柱的阻力与你熟悉的弹簧弹力进行比较，从做功与能量转化的角度简要说明泥土对桩柱的阻力做功和弹簧弹力做功的不同；

（3）若重锤与桩柱第一次的撞击能把桩柱打入泥土中的深度为d，试求常量k的大小。

Answer 1

【答案】（1）（2）见解析；（3）。

【解析】

试题分析：（1）设重锤落到桩柱上端时的速度为v0，对于重锤下落的过程，根据机械能守恒定律有……（1分）解得：

重锤与桩柱相互作用过程极为短暂，冲击力远大于它们所受的重力，重锤与桩柱组成的系统，沿竖直方向动量守恒，设二者碰撞后共同运动的速度为v1，根据动量守恒定律有…（1分）

解得：…（1分）

（2）由直线运动的v-t图象与横坐标轴所围的“面积”表示位移，比较阻力随深度变化的f-x图象可知，f-x图象与横坐标轴所围成的三角形的“面积”表示阻力功的大小：

……（1分）

阻力对桩柱做负功，所以……（1分）

由题可知：弹簧弹力的大小和泥土对桩柱的阻力大小变化的规律一样，都是大小与位移成正比。但是弹簧弹力做的功会使物体减少的机械能以弹性势能的形式存储起来，是不同形式的机械能之间的转化；而泥土对桩柱做的功会使物体减少的机械能都转化成了内能，是机械能转化为其他形式能的过程。泥土阻力一定做负功，弹簧弹力可以做正功，也可以做负功。（其他说法正确、合理的也同样得分。每说出一项得1分，最多得2分）………（2分）

（3）对于第一次碰撞后获得共同速度到进入泥土深度为d的过程，根据动能定理有

…（2分）可解得：…（1分）