| 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$m$的长木板$c$锁定在粗糙水平地面上,质量为$2m$的物块$b$放在木板$c$的正中央,质量为$m$的物块$a$以大小为$v_{0}$的水平速度从木板$c$的左端滑上木板$c$,物块$a$与物块$b$发生弹性正碰(碰撞时间极短)的瞬间解除锁定,最终物块$b$恰好不能从木板$c$的右端掉落。已知物块$a$$b$与木板$c$间的动摩擦因数均为$\mu $,木板$c$与地面间的动摩擦因数为$\dfrac{\mu}{6}$,两物块均可视为质点,最大静摩擦力等于滑动摩擦力,重力加速度大小为$g$,求:

木板的长度$L$

[["

$\\dfrac{v_{0}^{2}}{4\\mu g}$

"]]

物块$a$滑上木板$c$后与物块$b$碰撞前,物块$b$与木板$c$均静止,设两物块在木板上滑动时的加速度大小均为$a_{1}$,解除锁定后,木板加速过程中的加速度大小为$a_{2}$,物块$a$与物块$b$碰撞前物块$a$的速度大小为$v$,碰撞后物块$a$$b$的速度分别为$v_{a}$$v_{b}$

则有$a_{1}=\mu g$

$2\mu mg-\mu mg-\dfrac{\mu}{6} \times 4mg=ma_{2}$

$mv=mv_{a}+2mv_{b}$$\dfrac{1}{2}mv^{2}=\dfrac{1}{2}mv_{a}^{2}+\dfrac{1}{2} \times 2mv_{b}^{2}$

解得$a_{2}=\dfrac{\mu g}{3}$$v_{a}=- \dfrac{v}{3}$$v_{b}=\dfrac{2v}{3}$

$v-t$图像如图所示,

根据图中关系有$v_{0}^{2}-v^{2}=2a_{1}\dfrac{L}{2}$$\left(\dfrac{2v}{3}\right)^{2}=2(a_{1}+a_{2})\dfrac{L}{2}$

解得:$L=\dfrac{v_{0}^{2}}{4\mu g}$$v= \dfrac{\sqrt{3}}{2}v_{0}$

木板的最大速度$v_{m}$

[["

$\\dfrac{\\sqrt{3}v_{0}}{12}$

"]]

设木板的加速时间为$t$,则有$v_{b}=(a_{1}+a_{2})t$$v_{m}=a_{2}t$

解得:$v_{m}=\dfrac{\sqrt{3}v_{0}}{12}$

物块$a$与木板因摩擦产生的热量$Q$

[["

$\\dfrac{3mv_{0}^{2}}{16}$

"]]

设物块$a$与物块$b$碰撞后,物块$a$相对木板向左运动的距离为$l$,则有$l=\dfrac{1}{2}(a_{1}-a_{2})t^{2}$

$Q=\mu mg\left(\dfrac{L}{2}+l\right)$

解得:$Q=\dfrac{3mv_{0}^{2}}{16}$

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