| 动量守恒之木板滑块模型 题目答案及解析

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选修3-5

第十六章 动量守恒定律

16.3 动量守恒定律

动量守恒之木板滑块模型

如图所示,滑板$B$静止在光滑水平面上,其右端与固定挡板相距$x$,滑块$A$静止在$B$的左端。一子弹以水平速度$v_{0}=100\;\rm m/s$射向$A$后留在$A$中(此过程时间极短)。已知子弹的质量为$m=0.02\;\rm kg$$A$的质量$m_{A}=0.48\;\rm kg$$B$的质量$m_{B}=1.5\;\rm kg$$A$$B$之间动摩擦因数为$\mu =0.6$$B$足够长,$A$不会从$B$表面滑出;$B$与挡板碰撞无机械能损失,不计空气阻力,重力加速度$g=10\;\rm m/s^{2}$

子弹击中$A$后,$A$的速度多大;

[["

$4\\;\\rm m/s$

"]]

子弹击中$A$过程中动量守恒,取向右为正方向,根据动量守恒定律有$mv_{0}=(m+m_{A})v_{共1}$

解得$v_{共1}=4\;\rm m/s$

$A$的速度大小为$v_{A}=v_{共1}=4\;\rm m/s$

此次过程中,$A$$B$恰好共速时$B$与挡板碰撞,则滑板$B$右端与固定挡板相距$x$为多大;

[["

$0.25\\ \\rm m$

"]]

取向右为正方向,子弹、$A$$B$组成的系统动量守恒,三者刚好共速时,由动量守恒可得$(m+m_{A})v_{共1}=(m+m_{A}+m_{B})v_{共2}$

解得$v_{共2}=1\;\rm m/s$

$B$运用动能定理的$\mu(m+m_{{A}})gx=\dfrac{1}{2}m_{{B}}v_{共2}^{2}$

解得$x=0.25\ \rm m$

$x$取第($2$)中的值,改变子弹的速度,$B$将与挡板相碰$n$次,则子弹的速度为多少(子弹未射穿$A$)。

[["

$150(n-1)\\;{\\rm m/s} \\lt v_{子}\\leqslant 150n\\ \\rm m/s$

"]]

$B$碰撞前的速度为$v_{B}$,由动能定理有$\mu(m+m_{{A}})gx=\dfrac{1}{2}m_{{B}}v_{{B}}^{2}$

解得$v_{B}=1\;\rm m/s$

$B$与台阶碰撞后速度大小不变,故每次相碰台阶对$B$的冲量大小为$I=2p_{B}=2m_{B}v_{B}=3\;\rm kg ⋅ m/s$

子弹、$A$$B$组成的系统系统总动量为$p_{总}=mv_{子}=(m+m_{A})v_{共3}$

$B$与台阶相碰一次,台阶对系统的改变为$\Delta p=2p_{B}=3\;\rm kg ⋅ m/s$

规定向右为正方向,当系统的总动量为负值时,即总动量方向向左时,$B$不再与台阶相碰,故$B$与台阶相碰的条件是,发生一次碰撞$2p_{B}\lt mv_{子}$

发生两次碰撞$4p_{B}\geqslant mv_{子}$

发生$n$次碰撞$2np_{B}\geqslant mv_{子}$

解得$150(n-1)\;{\rm m/s}\lt v_{子}\leqslant 150 n\;\rm m/s$

$B$与台阶仅相碰$n$次。

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