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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
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$;
$0.45\\;\\rm m$;
"]]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;
"]]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$s$。
$6.35\\;\\rm m$。
"]]从$A$到$B$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$m_{2}$和$m_{3}$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$v_{2}=\dfrac{m_{2}-m_{3}}{m_{2}+m_{3}}v_{1}=\dfrac{1}{3}v_{1}$
第$2$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$s_{3}=\left( \dfrac{1}{3} \right)^{4}s_{1}$
……
第$n$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$s=L_{0}+2(s_{1}+s_{2}+s_{3}+⋅ ⋅ ⋅+s_{n})$
即$s=L_{0}+2\dfrac{s_{1}}{1-\dfrac{1}{9}}$
代入数据解得$s=6.35\:\rm m$。
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