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,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$$12m$的物块$A$$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$$B$$C$已共速,其后$C$$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;

[]
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$L=\\dfrac{2{{E}_{\\text{k}}}}{27\\mu mg}$

"]]

$C$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$$N$碰撞了$n$$\left( n\gt 2 \right)$,求第$n$次碰撞后$B$$C$共速时$B$的动能${{E}_{\text{k}n}}$

[]
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${{E}_{\\text{k}n}}={{\\left( \\dfrac{11}{13} \\right)}^{2n}}{{\\left( \\dfrac{12}{13} \\right)}^{2}}\\dfrac{8}{9}E_{\\rm k}$

"]]

$B$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$$k$次碰撞$N$点时,物块$B$恰好滑到$C$右端,此时$B$的速度大于$C$的速度,求$\dfrac{{{m}'}}{m}$$k$的关系。

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$\\dfrac{{{m}'}}{m}=\\dfrac{1}{{{\\left( 2k-1 \\right)}^{2}}}$

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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$$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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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,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: 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,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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