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,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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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,一质量、长度的“”形木板静止在水平地面上,木板左端为一竖直薄挡板。距木板右端处放置一质量的小物块,一质量也为、表面光滑的小球以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,木板与地面间的动摩擦因数,所有碰撞时间极短且均是弹性碰撞,取。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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