| 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,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$$C$碰撞前$A$$B$已相对静止,则$x$至少为多少;

[["

$2\\;\\rm m$

"]]

$A$$B$上做匀减速运动,$B$做匀加速运动,设$A$$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$$C$碰撞前$A$$B$已相对静止,则应$x\geqslant 2\;\rm m$

若要使$B$$C$只发生一次碰撞,则$x$应满足什么条件;

[["

$x\\geqslant 1.125\\;\\rm m$

"]]

$B$$C$碰撞时,$A$向右的动量小于等于$B$向右的动量,则$B$$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$$C$只发生一次碰撞,则应$x\geqslant 1.125m$

$x$$= \dfrac{1}{8}$$m$,则$B$$C$会碰撞几次。

[["

$3$

"]]

$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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