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高中 | 动量守恒之木板滑块模型题目答案及解析如下,仅供参考!
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$1$从$A$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$g$取$10\;\rm m/s^{2}$。
求碰后瞬间滑块$2$的速度大小;
$3\\;\\rm m/s$;
"]]滑块$1$由$A$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$2$与$B$物块水平部分上表面间的动摩擦因数;
$0.5$;
"]]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。
$0.05\\;\\rm m$,$1\\;\\rm m/s$
"]]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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