| 动量守恒之木板滑块模型 题目答案及解析

稿件来源:高途

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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,质量为$2\;\rm kg$的小球$A$(视为质点),在长度均为$1.6\;\rm m$的细绳$O^\prime P$$OP$作用下处于平衡状态,$O^\prime P$$OP$与竖直方向的夹角均为$60^\circ$。质量为$6\;\rm kg$的足够长的木板$B$静止在光滑水平面上,质量为$2\;\rm kg$的物块$C$(视为质点)静止在$B$的左端,$C$$B$之间的动摩擦因数为$\mu =0.25$,剪断细绳$O^\prime P$,小球$A$开始运动,重力加速度$g$$10\;\rm m/s^{2}$

求小球$A$运动到最低点时对细绳$OP$的拉力大小;

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$40\\;\\rm N$

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$A$从释放到最低点的过程中,由动能定理:$m_{A}gL(1-\cos60{^\circ})= \dfrac{1}{2}m_{A}v_{A}^{2}$,可得$A$到最低点时的速度大小为:$v_{A}=4\;\rm m/s$

由圆周运动的受力特点,可知细绳对物体$A$的拉力大小满足:$T-m_{A}g=m_{A}\dfrac{v_{A}^{2}}{L}$

根据相互作用力的关系$T=T^\prime$,可知球$A$对细绳的拉力大小$T^\prime$$40\;\rm N$

当小球$A$运动到最低点时,恰好与$C$发生弹性正碰(碰撞时间极短),求碰后$C$的速度大小;

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$4\\;\\rm m/s$

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由弹性碰撞的特点,以水平向右为正方向,根据动量守恒可得:$m_{A}v_{A}=m_{A}v_{A}^\prime+m_{C}v_{C}$

由动能不损失:$\dfrac{1}{2}m_{A}v_{A}^{2}=\dfrac{1}{2}m_{A}(v_{A}')^{2}+\dfrac{1}{2}m_{C}v_{C}^{2}$,解得碰后$C$的速度大小为:$v_{C}=4\;\rm m/s$

小球$A$与物块$C$碰后,$C$相对$B$滑行的距离$L_{相对}$

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$2.4\\;\\rm m$

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$B$足够长,可知$BC$会共速;

以水平向右为正方向,根据动量守恒:$m_{C}v_{C}=(m_{C}+m_{B})v$

由动能定理:$- \mu m_{C}gL_{相对}=\dfrac{1}{2}(m_{C}+m_{B})v^{2}-\dfrac{1}{2}m_{C}v_{C}^{2}$,可得$C$相对$B$滑行的距离为:$L_{相对}=2.4\;\rm m$

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