高中 | 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,$A$物块固定在水平面上,其上表面是半径为$R$的光滑四分之一圆弧;$B$是质量为$m_{B}$的带四分之一圆弧和水平板的物块,其圆弧半径也为$R$、上表面光滑,水平部分长为$L$、上表面粗糙。$B$物块放在光滑水平面上,$B$物块左端与$A$物块右端等高且无缝对接不粘连。现将一质量为$m_{1}$的小滑块$1$$A$物块最高点由静止释放,与另一静止在$B$物块左端的质量为$m_{2}$的滑块$2$发生弹性碰撞,碰后滑块$1$瞬间被锁定在$A$物块上。已知$R=0.2\;\rm m$$L=0.5\;\rm m$$m_{1}=0.3\;\rm kg$$m_{2}=0.1\;\rm kg$$m_{B}=0.2\;\rm kg$$A$$B$均可视为质点,重力加速度$g$$10\;\rm m/s^{2}$

求碰后瞬间滑块$2$的速度大小;

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$3\\;\\rm m/s$

"]]

滑块$1$$A$物块上滑下,其机械能守恒,设滑块$1$碰前速度为$v_{0}$,则$m_{1}gR=\dfrac{1}{2}m_{1}v_{0}^{2}$

解得$v_{0}=\sqrt{2gR}=2\;\rm \text{m}/\text{s}$

滑块$1$与滑块$2$发生弹性碰撞,系统的动量守恒、机械能守恒$m_{1}v_{0}=m_{1}v_{1}+m_{2}v_{2}$

$\dfrac{1}{2}m_{1}v_{0}^{2}=\dfrac{1}{2}m_{1}v_{1}^{2}+\dfrac{1}{2}m_{2}v_{2}^{2}$

解得$v_{1}=\dfrac{m_{1}-m_{2}}{m_{1}+m_{2}}v_{0}=1\;\rm \text{m}/\text{s}$

$v_{2}=\dfrac{2m_{1}}{m_{1}+m_{2}}v_{0}=3\;\rm \text{m}/\text{s}$

若物块$B$被锁定在光滑水平面上,滑块$2$沿$B$物块上表面恰好能滑到$B$物块顶端,求滑块$2$$B$物块水平部分上表面间的动摩擦因数;

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$0.5$

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物块$B$固定,由动能定理得$- \mu m_{2}gL-m_{2}gR=0-\dfrac{1}{2}m_{2}v_{2}^{2}$

解得$\mu =0.5$

若物块$B$末被锁定在光滑水平面上,求滑块$2$在物块$B$上能上升的最大高度及其最终的速度大小。  

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$0.05\\;\\rm m$$1\\;\\rm m/s$

"]]

物块$B$不固定,系统水平方向动量守恒,设滑块$2$沿物块$B$上滑的高度为$h$,则$m_{2}v_{2}=(m_{2}+m_{B})v$

由能量关系得$\mu m_{2}gL=\dfrac{1}{2}m_{2}v_{2}^{2}-\dfrac{1}{2}\left( m_{2}+m_{B} \right)v^{2}-m_{2}gh$

解得$h=0.05\;\rm m$

滑块$2$沿物块$B$滑动最高点后,接下来相对$B$往下滑,假设最终最终相对物块$B$静止,系统水平方向动量守恒有$m_{2}v_{2}=(m_{2}+m_{B})v{^\prime}$

对全程滑上再滑下到相对静止,由能量关系得$\mu m_{2}gx=\dfrac{1}{2}m_{2}v_{2}^{2}-\dfrac{1}{2}\left( m_{2}+m_{B} \right)v^{2}$

解得$v{^\prime}=1\;{\rm m/s}$$x=0.6\;\rm m$

由于$x=0.6\ {\rm m} \lt 2L=1\ \rm m$,故假设成立。所以最终滑块$2$的速度大小$v{^\prime}=1\;\rm m/s$

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某兴趣小组在研究物体在水面上运动时所受阻力的课题时,做了如图所示的实验。图中为一个充水的水池,水池左侧有四分之一光滑圆弧轨道。一质量的小物块从圆弧轨道的最上端静止释放,小物块运动至轨道底端时,恰好以水平速度冲上停靠在水池左侧木板的上表面。已知木板质量,长度,小物块与木板上表面间的动摩擦因数,圆弧轨道的半径,重力加速度取,小物块可视为质点,木板一直漂浮在水面,忽略小物块冲上木板后木板在竖直方向上的运动。 如图所示,固定的桌面、地面和固定的螺旋形圆管均光滑,轻质弹簧左端固定,自然伸长位置为点,弹簧的劲度系数,圆轨道的半径,圆管的内径比质量为的小球直径略大,但远小于圆轨道半径,质量为的小物块静止于质量为的木板左端,木板的上表面恰好与圆管轨道水平部分下端表面等高,小物块与木板上表面间的动摩擦因数,木板右端与墙壁之间的距离,现用力将小球向左推压,将弹簧压缩,然后由静止释放小球,小球与弹簧不连接,小球运动到桌面右端点后水平抛出,从管口点处沿圆管切线飞入圆管内部,从圆管水平部分点飞出,并恰好与小物块发生弹性碰撞,经过一段时间后木板和右侧墙壁发生弹性碰撞,已知小物块始终未和墙壁碰撞,并且未脱离木板,已知与竖直方向夹角,,,,。求: 如图所示,左端为四分之一圆弧的木板静止置于光滑水平面上,圆弧与木板水平部分相切于点。在木板右端固定一轻弹簧,其自由端位于木板上点正上方,将质量为的小物块(可视为质点)自点上方高度为处的某点静止释放,沿切线进入圆弧,已知长木板质量为,圆弧的半径为,,段粗糙,与小物块间的动摩擦因数为,其余部分均光滑。重力加速度为。 如图所示,质量为,足够长的木板静止在光滑的水平地面上,在长木板右侧有质量为的物块,在长木板的右端距离木板处有一个与长木板等高的台阶,物块与木板、台阶的动摩擦因数为,某时刻对木板施加水平向右,大小的恒定拉力,作用后撤去,之后木板经过一段时间与台阶碰撞,碰后木板立刻停止运动,重力加速度,设最大静摩擦力等于滑动摩擦力。试求: 如图所示,静止在水平地面上的水平木板右端固定有厚度不计的竖直薄挡板,两者构成一个整体,其质量为,水平长度为。可视为质点、质量为的物块以水平向右的速度从左端冲上木板。已知:、间的动摩擦因数为,与地面间的动摩擦因数为,设最大静摩擦力等于滑动摩擦力,与挡板之间的碰撞为瞬间完成的弹性正碰,重力加速度大小取。求: 如图所示为一款游戏装置的示意图。由固定的竖直轨道和水平轨道两部分组成。竖直轨道为倾角长的粗糙斜面,水平轨道由长的直轨道和两个半径为的半圆轨道组成,半圆轨道的外侧均有光滑的圆弧挡板(图中未画出)。竖直轨道和水平轨道通过直轨道连接,所有轨道相互平滑连接。和之间的地面光滑,靠近处放置与轨道等高、长度为、质量为的长木板。现将质量、可视为质点的小滑块从点以速度水平抛出,恰好沿切线方向进入斜面,并进入水平轨道,调节半圆轨道的半径的大小,使滑块最终停在长木板上。已知滑块与斜面的动摩擦因数,与长木块上表面的动摩擦因数,其余阻力均忽略不计,长木板与和处的固定桩相碰后以原速率反弹,且碰撞时间极短,重力加速度取,求:
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