| 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,$MNP$为一段光滑轨道,其中$MN$段是半径为$R=3m$的圆弧形轨道,$M$与圆心的连线与竖直方向夹角为$53^\circ$$NP$是水平足够长直轨道,$MN$$NP$段在$N$点平滑连接。滑块$A$从距$M$点高度$H=0.8\;\rm m$处水平抛出,恰好能从$M$点切入轨道。在水平轨道某位置静止放置一长$L=0.6\;\rm m$的木板$B$,木板左右两侧各有一固定挡板。木板紧靠右挡板放置一滑块$C$。滑块$A$$NP$轨道上与木板$B$发生碰撞。若$A$$B$$C$三者质量相等,滑块$A$$C$均可视为质点,$A$$B$之间、$C$与挡板之间的碰撞均为弹性碰撞。$B$$C$之间的动摩擦因数为$\mu =0.35$,重力加速度$g=10\;\rm m/s^{2}$$\sin53^\circ=0.8$$\cos53^\circ=0.6$,求:

滑块$A$到达$M$点时的速度;

[["

$5\\;\\rm m/s$

"]]

滑块$A$水平抛出后做平抛运动,则有$v_{y}^{2}=2gH$

结合$v_{M}=\dfrac{v_{y}}{\sin53{^\circ}}$

解得滑块$A$到达$M$点时的速度为$v_{M}=5\;\rm m/s$

滑块$A$与木板$B$碰后木板的速度;

[["

$7\\;\\rm m/s$

"]]

滑块从$M$点到与木板$B$碰撞之前的过程,由动能定理得$mgR(1-\cos53{^\circ})=\dfrac{1}{2}mv_{0}^{2}-\dfrac{1}{2}mv_{M}^{2}$

解得滑块$A$与木板$B$碰撞前的速度为$v_{0}=7\;\rm m/s$

$A$$B$发生弹性碰撞,取向右为正方向,由动量守恒定律和机械能守恒定律得$mv_{0}=mv_{1}+mv_{2}$$\dfrac{1}{2}mv_{0}^{2}=\dfrac{1}{2}mv_{1}^{2}+\dfrac{1}{2}mv_{2}^{2}$

解得$v_{1}=0$$v_{2}=v_{0}=7\;\rm m/s$

滑块$C$与左右两侧挡板碰撞的总次数。

[["

$5$

"]]

$C$与挡板间的碰撞为弹性碰撞,$B$$C$系统动量守恒,最终$B$$C$共速一起做匀速直线运动,取向右为正方向,由动量守恒定律得

$mv_{2}=2mv_{共}$

系统机械能损失为$\Delta E=\dfrac{1}{2}mv_{2}^{2}-\dfrac{1}{2} \cdot 2mv_{共}^{2}$

系统损失的机械能转化为摩擦生热,有$Q=\mu mgs$

解得$s=3.5\;\rm m$

滑块$C$相对木板$B$上来回滑动的距离为$3.5\;\rm m$,故$C$与左右两挡板碰撞的次数为$n= \dfrac{s}{L}=\dfrac{3.5}{0.6} \approx5.83$

故滑块$C$与两侧挡板共碰撞$5$次。

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