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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,质量为$m=1\;\rm kg$的工件甲静置在光滑水平面上,其上表面由光滑水平轨道$AB$和四分之一光滑圆弧轨道$BC$组成,两轨道相切于$B$点,圆弧轨道半径为$R=0.824\;\rm m$,质量也为$m$的小滑块乙静置于$A$点。不可伸长的细线一端固定于$O$点,另一端系一质量为$M=4\;\rm kg$的小球丙,细线竖直且丙静止时$O$到球心的距离为$L=2\;\rm m$。现将丙向右拉开至细线与竖直方向夹角为$\theta=53^\circ $并由静止释放,丙在$O$正下方与甲发生弹性碰撞(之后两者不再发生碰撞)。已知重力加速度大小为$g=10\;\rm m/s^{2}$,$\sin 53^\circ =0.8$,$\cos 53^\circ =0.6$,不计空气阻力。
求丙与甲碰后瞬间各自速度的大小;
$2.4\\;\\rm m/s$,$6.4\\;\\rm m/s$;
"]]丙向下摆动过程中机械能守恒$MgL\left( 1-\cos\theta \right)=\dfrac{1}{2}Mv_{0}^{2}$
解得$v_{0}=4\;\rm m/s$
丙与甲碰撞过程,由动量守恒得$Mv_{0}=Mv{^\prime}+mv$
由机械能守恒得$\dfrac{1}{2}Mv_{0}^{2}=\dfrac{1}{2}Mv{'^2}+\dfrac{1}{2}mv^{2}$
解得碰后瞬间,丙速度大小$v{^\prime}=2.4\;\rm m/s$
甲速度大小$v=6.4\;\rm m/s$
通过计算分析判断,碰后甲向左滑动的过程中,乙能否从$C$点离开圆弧轨道。
见解析
"]]假设乙能从$C$点离开,$C$点甲、乙水平速度相同,设甲速度为$v_{甲2}$,从丙与甲碰撞结束至乙从$C$点离开甲过程,甲、乙水平方向动量守恒$mv=2mv_{甲2}$
解得$v_{甲2}=3.2\;\rm m/s$
设乙从$C$点离开时乙竖直方向速度大小为$v_{y}$,从丙与甲碰撞结束至乙从$C$点离开甲过程中,由机械能守恒得$\dfrac{1}{2}mv^{2}=\dfrac{1}{2}mv_{甲2}^{2}+\dfrac{1}{2}mv_{乙1}^{2}+mgR$
又因为$v_{乙1}^{2}=v_{甲2}^{2}+v_{y}^{2}$
解得$v_{y}=2\;\rm m/s\gt 0$
所以乙能从$C$离开圆弧轨道。
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