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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
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$ABCD$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$m=0.1\;\rm kg$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$M=0.3\;\rm kg$,长度$L=2\;\rm m$,小物块与木板上表面间的动摩擦因数$\mu =0.5$,圆弧轨道的半径$R=1.25\;\rm m$,重力加速度$g$取$10\;\rm m/s^{2}$,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。
求小物块运动至轨道最底端时,轨道对其支持力的大小;
$3\\;\\rm N$;
"]]由动能定理可得$mgR= \dfrac{1}{2}mv_{A}^{2}-0$
小物块运动至轨道最底端时,由圆周运动公式可得$F_{{N}}-mg=m\dfrac{v_{A}^{2}}{R}$
联立解得$F_{N}=3\;\rm N$;
若木板在水面上运动时水的阻力忽略不计,则小物块与木板达到共速时(木板尚未到达水池右端),求小物块与木板左端的距离;
$1.875\\;\\rm m$;
"]]由动量守恒定律可得$mv_{A}=(M+m)v_{共}$
由动能定理可得$- \mu mgx=\dfrac{1}{2}\text{(}M+m\text{)}v_{共}^{2}-\dfrac{1}{2}mv_{A}^{2}$
小物块与木板左端的距离$x=1.875\;\rm m$;
若木板在水面上运动时,水对木板的阻力$f$与木板的速度$v$成正比,即$f=kv$,其中$k=0.25\;\rm kg/s$。最终木板恰好运动至水池右端速度减为零,且小物块也处在木板的右端,求水池的长度$L_{AD}$和整个过程中木板的最大速度$v_\rm{m}$。
$4\\;\\rm m$,$2\\;\\rm m/s$。
"]]对小物块和木板组成的整体,由动量定理可得$−kv \times t=0 − mv_{A}$
整理得$−k \times x'=0 − mv_{A}$
水池的长度$L_{AD}=x'+L=4\;\rm m$
对木板受力分析可得$\mu mg − kv=Ma$
当$a=0$时,木板的速度最大,最大速度$v_\rm{m}=2\;\rm m/s$。
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