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高中 | 机械能守恒定律题目答案及解析如下,仅供参考!
必修2
第七章 机械能守恒定律
7.8 机械能守恒定律
机械能守恒定律
如图,一质量为$m=1\;\rm kg$的长木板放置在光滑水平面上,木板的正中间放置一质量为$M=3\;\rm kg$的滑块,滑块与木板间的动摩擦因数为$\mu =0.5$。一条弹性绳一端系于天花板上的$O$点,另一端系于滑块中心,弹性绳的弹力与其伸长量满足胡克定律$F=kx$,劲度系数为$k=100\;\rm N/m$,弹性绳所具有的弹性势能$E_{\text{p}}=\dfrac{1}{2}kx^{2}$。在$O$点正下方$A$点固定一光滑的圆环,弹性绳从环中穿过,已知$O$、$A$之间距离与弹性绳原长相等,当滑块在$O$、$A$的正下方的$B$点时,弹性绳的伸长量为$h=0.1\;\rm m$。某时刻突然在$B$处给予两者一共同向右的速度$v$,在此后的运动过程中,滑块都不会从木板上滑下。
$v$为何值时,滑块到达某处时将与木板出现相对滑动,并求此位置与$B$的距离。
$v\\gt 2\\;\\rm m/s$,$0.4\\;\\rm m$
"]]当木板和滑块刚好出现相对运动时,滑块中心到$A$点的距离为$L$,位移为$x_{1}$,弹性绳的弹力大小为$F$,弹性绳与竖直方向的夹角为$\theta$,如下图所示
弹性绳弹力的水平分力$F_{x}=kL\sin \theta=kx_{1}$
弹性绳弹力的竖直分力$F_{y}=kL\cos \theta=kh=100 \times 0.1\;\rm N=10\;\rm N$
对滑块,有$F_{N}+F_{y}=Mg$
对整体,有$F_{x}=(M+m)a$
对木板,有$f=ma$
其中$f=\mu F_{N}=\mu (Mg-F_{y})=10\;\rm N$
联立求得$x_{1}=0.4\;\rm m$
即出现相对滑动的位置与$B$的距离为$0.4\;\rm m$。
根据机械能守恒定律,有$\dfrac{1}{2}kL^{2}-\dfrac{1}{2}kh^{2}=\dfrac{1}{2}(m+M){v_{1}}^{2}$
即$\dfrac{1}{2}k{x_{1}}^{2}=\dfrac{1}{2}(m+M){v_{1}}^{2}$
求得$v_{1}=2\;\rm m/s$
即$v\gt v_{1}=2\;\rm m/s$时滑块到达某处时将与木板出现相对滑动。
若$v= 2\sqrt{3}\;\rm \text{m}/\text{s}$,在刚好出现相对滑动时,使木板的速度瞬间变为$0$且固定不动,求此后滑块向右运动距$B$点的最大距离。
$0.6\\;\\rm m$
"]]因为$v=2\sqrt{3}\;\rm \text{m}/s\gt 2\;\rm m/s$
设滑块和木板刚好出现相对滑动时的共同速度为$v_{2}$,根据机械能守恒定律,有$\dfrac{1}{2}k{x_{2}}^{2}=\dfrac{1}{2}(m+M)v^{2}-\dfrac{1}{2}(m+M)v_{2}^{2}$
其中$x_{2}=x_{1}=0.4\;\rm m$
求得$v_{2}=2\sqrt{2}\;\rm m/s$
此后木板停止运动,物块相对木板向右滑动,以向右为正方向,设滑块速度为零时相对$B$点的位移为$x_{3}$,根据能量守恒定律,有$\dfrac{1}{2}kx_{3}^{2}-\dfrac{1}{2}kx_{2}^{2}+f\left( x_{3}-x_{2} \right)=\dfrac{1}{2}M{v_{2}}^{2}$
解得$x_{3}=0.6\;\rm m$(另一解$x_{3}=-0.8\;\rm m$不合理,舍去)
故滑块向右运动距$B$点的最大距离为$0.6\;\rm m$。
($2$)问条件下滑块在木板上滑动因摩擦而产生的热量。
$20\\;\\rm J$
"]]因$kx_{3}=100 \times 0.6\;{\rm N=60\;\rm N}\gt f=10\;\rm N$
故滑块不能静止而向左滑动。
设向右为正方向,设滑块向左滑动直至速度再次为零时相对$B$点的位移为$x_{4}$,根据能量守恒定律,有$\dfrac{1}{2}kx_{3}^{2}-\dfrac{1}{2}kx_{4}^{2}=f\left( x_{3}-x_{4} \right)$
解得$x_{4}=-0.4\;\rm m$(另一解$x_{4}=0.6\;\rm m$不合理,舍去)
负号说明滑块位于$B$点左侧$0.4\;\rm m$处,因$k|x_{4}|=100 \times 0.4\;{\rm N=40\;\rm N}\gt f=10\;\rm N$
故滑块不能静止而向右运动。
同理,对滑块再向右运动直至速度为零的过程,有$\dfrac{1}{2}kx_{4}^{2}-\dfrac{1}{2}kx_{5}^{2}=f\left( x_{5}-x_{4} \right)$
解得$x_{5}=0.2\;\rm m$(另一解$x_{5}=-0.4\;\rm m$不合理,舍去)
因$kx_{5}=100 \times 0.2\;{\rm N=20\;\rm N}\gt f=10\;\rm N$
故滑块不能静止而向左运动。
同理,对滑块再向左运动直至速度为零的过程,有$\dfrac{1}{2}kx_{5}^{2}-\dfrac{1}{2}kx_{6}^{2}=f\left( x_{5}-x_{6} \right)$
解得$x_{6}=0$(另一解$x_{6}=0.2\;\rm m$不合理,舍去)
故滑块最终静止于$B$点。
在木板固定不动直至滑块停止运动的整个过程中,设滑块与木板摩擦产生的热量为$Q$,根据能量守恒定律,有$Q=\dfrac{1}{2}k{x_{2}}^{2}+\dfrac{1}{2}M{v_{2}}^{2}=\left\lbrack \dfrac{1}{2} \times 100 \times {0.4}^{2}+\dfrac{1}{2} \times 3 \times \left( 2\sqrt{2} \right)^{2} \right\rbrack\ \text{J}=20\;\rm \text{J}$
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