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,一质量$M=2\;\rm kg$、长度$L=4.75\;\rm m$的“”形木板静止在水平地面上,木板左端为一竖直薄挡板。距木板右端$d=1.25\ \rm m$处放置一质量$m=1\;\rm kg$的小物块,一质量也为$m=1\;\rm kg$、表面光滑的小球以$v_{0}=8\;\rm m/s$的初速度从木板右端滑上木板后与物块发生正碰。物块与小球均可视为质点,物块与木板间的动摩擦因数$\mu _{1}=0.4$,木板与地面间的动摩擦因数$\mu _{2}=0.2$,所有碰撞时间极短且均是弹性碰撞,取$g=10\;\rm m/s^{2}$。求:

小球与物块碰撞后瞬间物块的速度大小;

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$8\\;\\rm m/s$

"]]

小球与物块碰撞时由动量守恒和能量守恒关系$mv_{0}=mv_{1}+mv_{2}$

$\dfrac{1}{2}mv_{0}^{2}=\dfrac{1}{2}mv_{1}^{2}+\dfrac{1}{2}mv_{2}^{2}$

解得$v_{1}=0$$v_{2}=v_{0}=8\;\rm m/s$

即碰撞后瞬间物块的速度大小$8\;\rm m/s$

小球从木板上掉落时物块的速度大小;

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$0$

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碰后小球静止,木块向左以初速度$v_{2}=8\;\rm m/s$的速度滑动,因木块给木板的摩擦力为$f_{1}=\mu _{1}mg=4\;\rm N$

木板受地面的最大静摩擦力为$f_{\rm m}=\mu _{2}(2m+M)g=8\;\rm N$

可知木板静止,木块向左减速,到达左侧挡板时速度为$v_{3}$,则$\dfrac{1}{2}mv_{3}^{2}-\dfrac{1}{2}mv_{2}^{2}=- \mu_{1}mg \cdot (L-d)$

解得$v_{3}=6\;\rm m/s$

与挡板碰后设木块速度$v_{4}$,木板速度$v_{5}$,则$mv_{3}=mv_{4}+Mv_{5}$

$\dfrac{1}{2}mv_{3}^{2}=\dfrac{1}{2}mv_{4}^{2}+\dfrac{1}{2}Mv_{5}^{2}$

解得$v_{4}=-2\;\rm m/s$$v_{5}=4\;\rm m/s$

随后木块向右减速运动,加速度大小为$a_{1}=\mu _{1}g=4\;\rm m/s^{2}$

木板先左减速,加速度大小为$a_{2}=\dfrac{\mu_{1}mg+\mu_{2}(2m+M)g}{M}=6\;\rm \text{m/s}^{2}$

当木板向左运动$d=1.25\ \rm m$时小球从木板上滑落,则$v_{6}^{2}=v_{5}^{2}-2a_{2}d$

解得$v_{6}=1\;\rm m/s$

用时间$t_{1}=\dfrac{v_{5}-v_{6}}{a_{2}}=0.5\;\rm \text{s}$

此时木块的速度$v_{7}=v_{4} − a_{2}t_{1}=0$

即小球从木板上掉落时物块的速度为零;

木板运动的时间。

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$\\dfrac{5}{6}\\;\\text{s}$

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此后木块加速度不变反向向左加速,木板向左减速,加速度为$a_{3}=\dfrac{\mu_{1}mg+\mu_{2}(m+M)g}{M}=5\;\rm \text{m/s}^{2}$

则物块和木板共速时有$a_{1}t_{2}=1-a_{3}t_{2}$

解得$t_{2}=\dfrac{1}{9}\text{s}$$v_{共}=a_{1}t_{2}=\dfrac{4}{9}\;\text{m/s}$

最后一起向左减速运动直到木板停止,此时木板和木块的加速度$a_{4}=\dfrac{\mu_{2}(m+M)g}{M+m}=2\;\rm \text{m/s}^{2}$

用时间$t_{3}=\dfrac{v_{共}}{a_{4}}=\dfrac{2}{9}\;\text{s}$

则木板运动的总时间$t=t_{1}+t_{2}+t_{3}=\dfrac{5}{6}\;\text{s}$

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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: 如图所示,长木板与光滑圆弧体放在光滑的水平面上,质量均为,长木板长,厚度忽略不计,长木板距平台的距离,平台与水平面的高度差;质量小滑块(大小可忽略不计)放在粗糙的平台上,与平台间的动摩擦因数,距平台的右端,现给小滑块一水平向右的初速度,滑块与长木板间的动摩擦因数,重力加速度。小滑块落在长木板上时碰撞时间极短可忽略,且不弹起。当滑块滑到长木板最右端时,长木板刚好与圆弧体发生弹性碰撞,碰撞时间极短可忽略不计。求: 如图所示,物块固定在水平面上,其上表面是半径为的光滑四分之一圆弧;是质量为的带四分之一圆弧和水平板的物块,其圆弧半径也为、上表面光滑,水平部分长为、上表面粗糙。物块放在光滑水平面上,物块左端与物块右端等高且无缝对接不粘连。现将一质量为的小滑块从物块最高点由静止释放,与另一静止在物块左端的质量为的滑块发生弹性碰撞,碰后滑块瞬间被锁定在物块上。已知,,,,,、均可视为质点,重力加速度取。
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