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| 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,质量为$1\;\rm kg$、足够长的长木板$B$静止在光滑水平地面上,在距长木板右端距离为$x$处有一固定挡板$C$,质量为$0.5\;\rm kg$的小滑块$A$从长木板的左端以大小为$6\;\rm m/s$的初速度滑上长木板,物块与长木板间的动摩擦因数为$0.2$,重力加速度大小取$g=10\;\rm m/s^{2}$,木板$B$与挡板$C$的碰撞过程中没有机械能损失且碰撞时间极短可忽略不计,求:
若在$B$与$C$碰撞前$A$与$B$已相对静止,则$x$至少为多少;
$2\\;\\rm m$
"]]$A$在$B$上做匀减速运动,$B$做匀加速运动,设$A$、$B$相对静止时,共同速度为$v_{1}$,取向右为正方向,根据动量守恒定律得
$m_{A}v_{0}=(m_{A}+m_{B})v_{1}$
$B$运动的加速度大小为
$a_{B}=\mu g=0.1\times 10\;\rm m/s^{2}=1\;\rm m/s^{2}$
$B$运动的距离为$x_{B}= \dfrac{v_{1}^{2}}{2a_{B}}=\dfrac{2^{2}}{2 \times 1}\;\rm m=2\;m$
因此,要使$B$与$C$碰撞前$A$与$B$已相对静止,则应$x\geqslant 2\;\rm m$。
若要使$B$与$C$只发生一次碰撞,则$x$应满足什么条件;
$x\\geqslant 1.125\\;\\rm m$;
"]]$B$与$C$碰撞时,$A$向右的动量小于等于$B$向右的动量,则$B$与$C$会发生一次碰撞,取向右为正方向,当$A$向右的动量等于$B$向右动量时
$m_{A}v_{A}=m_{B}v_{B}$
根据动量守恒定律得$m_{A}v_{0}=m_{A}v_{A}+m_{B}v_{B}$
$B$运动的距离为$x'_{B}= \dfrac{v_{B}^{2}}{2a_{B}}$
联立解得:$x_{B}^\prime=1.125\;\rm m$
因此,若要使$B$与$C$只发生一次碰撞,则应$x\geqslant 1.125m$。
若$x$$= \dfrac{1}{8}$$m$,则$B$与$C$会碰撞几次。
$3$次
"]]若$x= \dfrac{1}{8}m$,$B$每次与$C$碰撞前的速度大小为
$v= \sqrt{2a_{B}x}=\sqrt{2 \times 1 \times \dfrac{1}{8}}\;\rm m/s= \dfrac{1}{2}\;m/s$
相邻两次碰撞的时间间隔为
$\Delta t= \dfrac{2v}{a_{B}}=\dfrac{2 \times \dfrac{1}{2}}{1}\;\rm s=1\;\rm s$
设能碰撞$n$次,则第$n$次碰撞时,运动的时间为
$t= \dfrac{1}{2}\Delta t+(n-1)\Delta t =(n-0.5)\;\rm s$
取向右为正方向,最后一次碰撞满足临界条件
$m_{A}v_{A}^\prime=m_{B}v$
根据运动学公式
$v_{A}^\prime=v_{0}-a_{A}(n-0.5)$
$a_{A}=\mu g$
联立解得:$n=3$。
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