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,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$O'$点,弹簧的劲度系数$k=400\;\rm N/m$,圆轨道的半径$R=0.5m$,圆管的内径比质量为$m_{1}$的小球直径略大,但远小于圆轨道半径,质量为$m_{2}$的小物块静止于质量为$m_{3}$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$\mu =0.5$,木板右端与墙壁之间的距离$L_{0}=5\;\rm m$,现用力将小球向左推压,将弹簧压缩$x_{0}=0.2m$,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$O'$点后水平抛出,从管口$A$点处沿圆管切线飞入圆管内部,从圆管水平部分$B$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$OA$与竖直方向夹角$\theta=37^\circ $$m_{1}=m_{2}=1\;\rm kg$$m_{3}=0.5\;\rm kg$$g=10\;\rm m/s^{2}$$\sin 37^\circ =0.6$。求:

抛出点$O'$与管口$A$间的高度差$h$

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$0.45\\;\\rm m$

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弹簧弹开小球过程弹力随位移均匀变化,由动能定理可得$\dfrac{0+kx_{0}}{2} \times x_{0}= \dfrac{1}{2}m_{1}v_{0}^{2}-0$

解得$v_{0}=4\;\rm m/s$

在小球平抛到管口$A$点时速度如图所示

根据$v_{y}=v_{0}\tan \theta$$v_{y}^{2}=2gh$

联立解得$h=0.45\;\rm m$

小球在圆管最高点所受的弹力$F_{N}$

[["

$4\\;\\rm N$,方向竖直向下;

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小球从$A$到圆筒最高点的过程,由动能定理可得$- m_{1}g\left( R+R\cos\theta \right)= \dfrac{1}{2}m_{1}v^{2}-\dfrac{1}{2}m_{1}v_{A}^{2}$

由上图可知$v_{A}=v_{0}\cos \theta=5\;\rm m/s$

小球在最高点时$F_{{N}}+m_{1}g=m_{1}\dfrac{v^{2}}{R}$

解得$F_{N}=4\;\rm N$

说明小球在圆管最高点所受的弹力$F_{N}$大小为$4\;\rm N$,方向竖直向下;

木板在地面上滑动的总路程$s$

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$6.35\\;\\rm m$

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$A$$B$全过程,由动能定理可得$m_{1}g\left( R-R\cos\theta \right)= \dfrac{1}{2}m_{1}v_{B}^{2}-\dfrac{1}{2}m_{1}v_{A}^{2}$

解得$v_{B}=3\sqrt{3}\;\rm{m}/{s}$

小球和小物块碰撞过程,取水平向右为正方向,可得$m_{1}v_{B}=m_{1}v'_{1}+m_{2}v'_{2}$,$\dfrac{1}{2}m_{1}{v_{B}}^{2}=\dfrac{1}{2}m_{1}{v'_{1}}^{2}+\dfrac{1}{2}m_{2}{v'_{2}}^{2}$

解得$v'_{1}=0$${v'}_{2}=3\sqrt{3}\;\rm{m}/{s}$

说明碰后小球停止运动,物块获得$3\sqrt{3}\;\rm{m}/{s}$向右的速度,开始在木板上滑动,以$m_{2}$$m_{3}$为对象,可得$m_{2}v'_{2}=(m_{2}+m_{3})v_{1}$

对木板可得$\mu m_{2}gx=\dfrac{1}{2}m_{3}v_{1}^{2}-0$

解得$v_{1}=2\sqrt{3}\;\rm{m}/{s}$$x=0.6m \lt L_{0}$

物块与木板共速后与墙壁发生第$1$次碰撞后,对木板$\mu m_{2}g=m_{3}a$

木板向左移动的最大距离$s_{1}=\dfrac{v_{1}^{2}}{2a}$

解得$s_{1}=0.6m$

设小物块和木板第二次共速时速度为$v_{2}$,则有$m_{2}v_{1} − m_{3}v_{1}=(m_{2}+m_{3})v_{2}$

解得$v_{2}=\dfrac{m_{2}-m_{3}}{m_{2}+m_{3}}v_{1}=\dfrac{1}{3}v_{1}$

$2$次与墙碰撞后,木板向左移动的最大距离$s_{2}=\dfrac{v_{2}^{2}}{2a}=\left( \dfrac{m_{2}-m_{3}}{m_{2}+m_{3}} \right)^{2} \cdot \dfrac{v_{1}^{2}}{2a}=\left( \dfrac{1}{3} \right)^{2}s_{1}$

设小物块和木板第三次共速时速度为$v_{3}$,则有$m_{2}v_{2} − m_{3}v_{2}=(m_{2}+m_{3})v_{3}$

解得$v_{3}=\left( \dfrac{m_{2}-m_{3}}{m_{2}+m_{3}} \right)^{2}$$v_{1}=\left( \dfrac{1}{3} \right)^{2}v_{1}$

同理可得$s_{3}=\left( \dfrac{1}{3} \right)^{4}s_{1}$

……

$n$次与墙碰撞后,对木板有$s_{n}=\left( \dfrac{1}{3} \right)^{2(n-1)}s_{1}$

木板运动的总路程为$s=L_{0}+2(s_{1}+s_{2}+s_{3}+⋅ ⋅ ⋅+s_{n})$

$s=L_{0}+2\dfrac{s_{1}}{1-\dfrac{1}{9}}$

代入数据解得$s=6.35\:\rm m$

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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,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: 如图所示,质量为的工件甲静置在光滑水平面上,其上表面由光滑水平轨道和四分之一光滑圆弧轨道组成,两轨道相切于点,圆弧轨道半径为,质量也为的小滑块乙静置于点。不可伸长的细线一端固定于点,另一端系一质量为的小球丙,细线竖直且丙静止时到球心的距离为。现将丙向右拉开至细线与竖直方向夹角为并由静止释放,丙在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,,,不计空气阻力。
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