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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,长木板与$\dfrac{1}{4}$光滑圆弧体放在光滑的水平面上,质量均为$M=1\;\rm kg$,长木板长$L=15\;\rm m$,厚度忽略不计,长木板距平台的距离$d=9\;\rm m$,平台与水平面的高度差$h=5\;\rm m$;质量$m=2\;\rm kg$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$\mu _{1}=0.2$,距平台的右端$s=13\;\rm m$,现给小滑块一水平向右的初速度$v_{0}=14\;\rm m/s$,滑块与长木板间的动摩擦因数$\mu _{2}=0.1$,重力加速度$g=10\;\rm m/s^{2}$。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$\dfrac{1}{4}$圆弧体发生弹性碰撞,碰撞时间极短可忽略不计。求:
小滑块滑到平台右端时的速度大小$v_{1}$;
$v_{1}=12\\;\\rm m/s$
"]]小物块在平台上滑动的过程中,根据动能定理,有$- \mu mgs=\dfrac{1}{2}mv_{1}^{2}-\dfrac{1}{2}mv_{0}^{2}$
解得$v_{1}=12\;\rm m/s$
当滑块滑到长木板最右端时小滑块的速度大小$v_{4}$;
$6\\;\\rm m/s$
"]]小滑块从平台边缘飞出,做平抛运动,竖直方向,有$h=\dfrac{1}{2}gt_{1}^{2} \Rightarrow t_{1}=1\;\rm \text{s}$
水平方向,有$x=v_{1}t_{1}=12\;\rm m$
$v_{y}=gt=10\;\rm m/s$
小滑块与长木板碰撞过程,竖直方向根据动量定理,规定竖直向上为正方向,有$F_{N}\Delta t=mv_{y}$
水平方向,规定水平向右为正方向,对小滑块根据动量定理,有$-\mu _{2}F_{N}\Delta t=mv_{2}-mv_{1}⇒v_{2}=11\;\rm m/s$
对长木板有$\mu _{2}F_{N}\Delta t=Mv_{3}⇒v_{3}=2\;\rm m/s$
此后小滑块做匀减速直线运动,根据牛顿第二定律,有$\mu _{2}mg=ma_{2}⇒a_{2}=1\;\rm m/s^{2}$
由位移时间关系,有$x_{1}=v_{2}t_{2}-\dfrac{1}{2}a_{2}t_{2}^{2}$
长木板做匀加速直线运动,根据牛顿第二定律,有$\mu _{2}mg=Ma_{3}⇒a_{3}=2\;\rm m/s^{2}$
有位移时间关系,有$x_{2}=v_{3}t_{2}+\dfrac{1}{2}a_{3}t_{2}^{2}$
$x_{1}-x_{2}=L+d-x⇒t_{2}=2\;\rm s$
滑块滑到长木板最右端时小滑块的速度$v_{4}=v_{2}-a_{2}t_{2}=9\;\rm m/s$
长木板的速度$v_{5}=v_{3}+a_{3}t_{2}=6\;\rm m/s$
若小滑块刚好滑至$\dfrac{1}{4}$圆弧的最高点,圆弧的半径$R$。
$0.15\\;\\rm m$
"]]长木板与$\dfrac{1}{4}$圆弧体发生弹性碰撞有$Mv_{5}=Mv_{6}+Mv_{7}$
$\dfrac{1}{2}Mv_{5}^{2}=\dfrac{1}{2}Mv_{6}^{2}+\dfrac{1}{2}Mv_{7}^{2}$
解得$v_{6}=0$,$v_{7}=6\;\rm m/s$
小滑块滑上$\dfrac{1}{4}$圆弧的最高点时,小滑块与$\dfrac{1}{4}$圆弧的速度相同,根据小滑块与$\dfrac{1}{4}$圆弧组成的系统水平动量守恒和能量守恒得$mv_{4}+Mv_{7}=(m+M)v_{8}$
$\dfrac{1}{2}mv_{4}^{2}+\dfrac{1}{2}Mv_{7}^{2}=\dfrac{1}{2}(M+m)v_{8}^{2}+mgR \Rightarrow R=0.15\;\rm \text{m}$
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