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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,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;
$8\\;\\rm m/s$;
"]]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;
$0$;
"]]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。
$\\dfrac{5}{6}\\;\\text{s}$
"]]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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