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

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$$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;

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$3\\;\\rm N$

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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;

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$1.875\\;\\rm m$

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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$v_\rm{m}$

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$4\\;\\rm m$$1\\;\\rm m/s$

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从开始到最终静止,对小物块和木板组成的整体,

由动量定理可得$−k\overline{v_{1}}\times t_{1}=0−mv_{A}$

木板位移$x_{1}=\overline{v_{1}}t_{1}=2\ \rm m$

水池的长度$L_{AD}=x_{1}+L=4\;\rm m$

由分析可知当小物块与木板共速时,木板达到最大速度$v_{\rm m}$,之后小物块与木板相对静止一起减速到水池右端,则共速时小物块恰好运动到木板右端。

从开始到共速,对系统动量定理可得$-k\overline{v_{2}}t_{2}=\left( m+M\right)v_{\rm m}-mv_{A}$

木板位移$x_{2}=\overline{v_{2}}t_{2}$

对小物块由动能定理可得$-\mu mg\left( x_{2}+L\right)=\dfrac{1}{2}mv_{\rm m}^{2}-\dfrac{1}{2}mv_{A}^{2}$

联立解得$v_{\rm m}=1\ \rm m/s$

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如图所示,水平地面上放有木板、,木板的右侧有竖直墙,板长度为,木板与地面间的动摩擦因数,可视为质点的物块静置于木板的左端。不可伸长的轻绳一端系于点,另一端拴一小球,钉子位于物块的正上方,间距等于绳长的一半,连线与水平方向的夹角初始锁定木板,将小球从绳水平拉直的位置由静止释放,到达最低点时与静止的物块发生碰撞,碰后小球反弹到达最高点时,轻绳刚好离开钉子;物块滑至木板右端时,二者共速,且此时木板与木板发生碰撞;碰后木板恰好能返回初始位置。已知木板和物块的质量均为,所有碰撞均为弹性碰撞,物块与两木板间的动摩擦因数相同,重力加速度大小。求: 如图所示,光滑水平面中间有一光滑凹槽,质量为、长度小于的木板放置在凹槽内,其上表面恰好与水平面平齐。开始时木板静置在凹槽左端处,其右端与凹槽右端有一定的距离。水平面左侧有质量分别为与的物块、,某时刻物块获得初动能,与物块发生弹性碰撞后,物块滑上木板,木板到达前、已共速,其后与的碰撞均为弹性碰撞。已知物块与木板间的动摩擦因数为,重力加速度为,求: 如图所示,水平地面上放有木板、,木板的右侧有竖直墙,板长度为,木板与地面间的动摩擦因数为,可视为质点的物块静置于木板的左端。不可伸长的轻绳一端系于点,另一端拴一小球,钉子位于物块的正上方,间距等于绳长的一半,连线与水平方向的夹角初始锁定木板,将小球从绳水平拉直的位置由静止释放,到达最低点时与静止的物块发生碰撞,碰后小球反弹到达最高点时,轻绳刚好离开钉子;物块滑至木板右端时,二者共速,且此时木板与木板发生碰撞;碰后木板恰好能返回初始位置。已知木板和物块的质量均为,所有碰撞均为弹性碰撞,物块与两木板间的动摩擦因数相同,重力加速度大小。求: 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:
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