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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,光滑水平面中间有一光滑凹槽$MN$,质量为$m$、长度小于$MN$的木板$C$放置在凹槽内,其上表面恰好与水平面平齐。开始时木板$C$静置在凹槽左端$M$处,其右端与凹槽右端$N$有一定的距离。水平面左侧有质量分别为$6m$与$12m$的物块$A$、$B$,某时刻物块$A$获得初动能${{E}_{\text{k}}}$,与物块$B$发生弹性碰撞后,物块$B$滑上木板$C$,木板$C$到达$N$前$B$、$C$已共速,其后$C$与$N$的碰撞均为弹性碰撞。已知物块与木板间的动摩擦因数为$\mu $,重力加速度为$g$,求:
物块$B$滑上木板$C$时的动能$E_{\text{k}B}$;
$E_{\\text{k}B}=\\dfrac{8}{9}E_{k}$;
"]]$A$、$B$弹性碰撞,则$6m{{v}_{0}}=6m{{v}_{{A}}}+12m{{v}_{{B}}}$
$\dfrac{1}{2}6mv_{0}^{2}=\dfrac{1}{2}6mv_{{A}}^{2}+\dfrac{1}{2}12mv_{{B}}^{2}$
${{E}_{\text{k}}}=\dfrac{1}{2}6mv_{0}^{2}$
解得${{E}_{\text{k}B}}=\dfrac{8}{9}{{E}_{\text{k}}}$;
若在整个运动过程中$B$未滑出$C$,木板$C$的长度至少为多大;
$L=\\dfrac{2{{E}_{\\text{k}}}}{27\\mu mg}$;
"]]$C$反复碰撞$N$,$B$未滑出$C$,可知最终$B$、$C$均停止运动,由能量守恒定律$\mu \cdot 12mgL=\dfrac{1}{2}\cdot 12mv_{{B}}^{2}={{E}_{\text{k}B}}$
解得木板$C$的最小长度$L=\dfrac{2{{E}_{\text{k}}}}{27\mu mg}$;
假如$C$与$N$碰撞了$n$次$\left( n\gt 2 \right)$,求第$n$次碰撞后$B$与$C$共速时$B$的动能${{E}_{\text{k}n}}$;
${{E}_{\\text{k}n}}={{\\left( \\dfrac{11}{13} \\right)}^{2n}}{{\\left( \\dfrac{12}{13} \\right)}^{2}}\\dfrac{8}{9}E_{\\rm k}$;
"]]当$B$第一次滑上$C$时,$B$的速度为${{v}_{\text{B}}}$,$C$的速度为$0$,到$B$、$C$第一次共速${{v}_{共}}$,由动量守恒定律$12m{{v}_{\text{B}}}=\left( 12m+m \right){{v}_{共}}$
第一次碰撞后,到$B$、$C$共速${{v}_{\text{B}1}}$的过程,由动量守恒$12m{{v}_{共}}-m{{v}_{共}}=\left( 12m+m \right){{v}_{{B}1}}$
共速时$B$动能${{E}_{\text{k}1}}=\dfrac{1}{2}12mv_{{B}1}^{2}={{\left( \dfrac{11}{13} \right)}^{2}}{{\left( \dfrac{12}{13} \right)}^{2}}\dfrac{8}{9}{{E}_{\text{k}}}$
以此类推,第$n$次碰撞后,共速时$B$的动能${{E}_{\text{k}n}}=\dfrac{1}{2}12mv_{{Bn}}^{\text{2}}={{\left( \dfrac{11}{13} \right)}^{2n}}{{\left( \dfrac{12}{13} \right)}^{2}}\dfrac{8}{9}{{E}_{\text{k}}}$;
若物块$B$到达木板$C$右端时,$C$恰好第一次到$N$点。改变$C$的质量为${m}'$,让$C$第$k$次碰撞$N$点时,物块$B$恰好滑到$C$右端,此时$B$的速度大于$C$的速度,求$\dfrac{{{m}'}}{m}$与$k$的关系。
$\\dfrac{{{m}'}}{m}=\\dfrac{1}{{{\\left( 2k-1 \\right)}^{2}}}$。
"]]物块$B$滑上木板到达$C$右端时,$C$恰好第一次碰到$N$点。在此过程,$C$的加速度为${{a}_{\text{C}}}$,$B$、$C$所用时间为${{t}_{\text{C}}}$,设$C$右端静止时距离$N$为$d$,则${{a}_{C}}=\dfrac{12\mu mg}{m}=12\mu g$
$d=\dfrac{1}{2}{{a}_{C}}t_{C}^{2}$
再改变$C$的质量为${m}'$,$C$的加速度为${{{a}'}_{\text{C}}}$,设$C$从运动到第一次与$N$碰撞的时间为${{{t}'}_{\text{C}}}$,
碰撞后$C$向左以相同大小的加速度减速至零,时间也为${{{t}'}_{\text{C}}}$,故第$k$次碰撞$N$点时,$C$恰好运动了$\left( 2k-1 \right){{{t}'}_{\text{C}}}$。$B$的受力情况不变,从$M$运动到$N$用的时间仍为${{t}_{\text{C}}}$,有${{t}_{\text{C}}}=\left( 2k-1 \right){{{t}{'}}_{\text{C}}}$
$d=\dfrac{1}{2}{{{a}'}_{\text{C}}}{t}{'}_{\text{C}}^{2}$
其中${{{a}{'}}_{\text{C}}}=\dfrac{12\mu mg}{{{m}'}}$
由以上几式$\dfrac{{{a}_{\text{C}}}}{{{{{a}'}}_{\text{C}}}}=\dfrac{{{{{t}'}}^{2}}_{\text{C}}}{t_{\text{C}}^{2}}=\dfrac{{{m}'}}{m}$
所以$\dfrac{{{m}'}}{m}=\dfrac{1}{{{\left( 2k-1 \right)}^{2}}}$。
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