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,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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某兴趣小组在研究物体在水面上运动时所受阻力的课题时,做了如图所示的实验。图中为一个充水的水池,水池左侧有四分之一光滑圆弧轨道。一质量的小物块从圆弧轨道的最上端静止释放,小物块运动至轨道底端时,恰好以水平速度冲上停靠在水池左侧木板的上表面。已知木板质量,长度,小物块与木板上表面间的动摩擦因数,圆弧轨道的半径,重力加速度取,小物块可视为质点,木板一直漂浮在水面,忽略小物块冲上木板后木板在竖直方向上的运动。 如图所示,固定的桌面、地面和固定的螺旋形圆管均光滑,轻质弹簧左端固定,自然伸长位置为点,弹簧的劲度系数,圆轨道的半径,圆管的内径比质量为的小球直径略大,但远小于圆轨道半径,质量为的小物块静止于质量为的木板左端,木板的上表面恰好与圆管轨道水平部分下端表面等高,小物块与木板上表面间的动摩擦因数,木板右端与墙壁之间的距离,现用力将小球向左推压,将弹簧压缩,然后由静止释放小球,小球与弹簧不连接,小球运动到桌面右端点后水平抛出,从管口点处沿圆管切线飞入圆管内部,从圆管水平部分点飞出,并恰好与小物块发生弹性碰撞,经过一段时间后木板和右侧墙壁发生弹性碰撞,已知小物块始终未和墙壁碰撞,并且未脱离木板,已知与竖直方向夹角,,,,。求: 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:
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