| 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

如图所示,从$A$点以某一水平速度$v_{0}$抛出质量$m=2\;\rm kg$的小物块(可视为质点),当物块运动至$B$点时,恰好沿切线方向进入圆心角$∠BOC=37^\circ $的粗糙固定圆弧轨道$BC$,经圆弧轨道克服摩擦力做功$W=19\;\rm J$后,滑上与$C$点等高、静止在光滑水平面上的长木板,圆弧轨道$C$端的切线水平。已知长木板的质量$M=1\;\rm kg$$A$点距$C$点的高度$H=0.6\;\rm m$,圆弧轨道半径$R=0.75\;\rm m$,物块与长木板间的动摩擦因数$\mu =0.3$$g=10\;\rm m/s^{2}$$\sin 37^\circ =0.6$$\cos 37^\circ=0.8$求:

小物块在$A$点抛出时的速度大小;

[["

$v_{0}=4\\;\\rm m/s$

"]]

由几何关系可知$h=R(1-\cos 37^\circ )$

解得$h=\dfrac{3}{20}\ \text{m}$

物块从$A$$B$的过程,竖直方向列运动学关系式$v_{y}^{2}=2g(H-h)$

即可得竖直分速度$v_{y}=3\;\rm m/s$

由几何关系可知,其分速度、合速度关系如下图

由题意可知物块恰好沿切线进入圆弧轨道,即可知其水平分速度、竖直分速度、合速度满足$\tan 37{{^\circ}}=\dfrac{v_{y}}{v_{0}}$

解得其初速度为$v_{0}=4\;\rm m/s$

小物块滑至圆弧轨道$C$点时的向心加速度大小;

[["

$a_{nc}=12\\;\\rm m/s^{2}$

"]]

物块从$B$$C$的过程,由动能定理$mgh-W=\dfrac{1}{2}mv_{C}^{2}- \dfrac{1}{2}mv_{B}^{2}$

解得其到达$C$点时的速度为$v_{C}=3\;\rm m/s$

$a_{\text{n}c}=\dfrac{v_{C}^{2}}{R}=12\;\rm \text{m/s}^{\text{2}}$

为保证小物块不滑出长木板,长木板至少为多长?

[["

$L=0.5\\;\\rm m$

"]]

以水平向右为正方向,物块和长木板作为整体,在水平方向不受外力,即水平方向动量守恒$mv_{C}=(m+M)v$

解得共同速度为$v=2\;\rm m/s$

由能量守恒$\mu mgL=\dfrac{1}{2}mv_{C}^{2}-\dfrac{1}{2} \times (m+M)v^{2}$

可得长木板的最小长度为$L=0.5\;\rm m$

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如图所示为某游戏装置侧面图,半径的圆弧轨道固定,质量、半径的半圆弧轨道锁定在水平面上,一长为、质量也为、的平板小车停在轨道的最左端紧靠,小车上表面与、点等高,将一可视为质点、质量的滑块从距点高度为处静止释放,滑上小车后带动小车向右运动,小车与轨道碰撞(碰撞时间极短)后即被粘在处,滑块可沿轨道继续运动。已知水平轨道、间距均足够长,滑块与小车的动摩擦因数,其余接触面均光滑,取,求: 光滑水平地面上,质量为、上表面粗糙的木板正以的速度向右运动。某时刻在木板右端滑上可视为质点的物块,质量为,速度向左,大小也是,物块和木板间的动摩擦因数为,木板长为。则下列说法正确的是 如图所示,质量的物体,以水平速度滑上静止在光滑水平面上的平板小车,小车质量,物体与小车车面之间的动摩擦因数,取,设小车足够长,求: 如图所示,质量均为的木板和物块静止在光滑水平面上,质量为的物块以的初速度从左端滑上,当的速度为时与发生碰撞,并立即与共速。已知、可视为质点,与之间的动摩擦因数,重力加速度,则 如图所示,质量为的小球(视为质点),在长度均为的细绳和作用下处于平衡状态,、与竖直方向的夹角均为。质量为的足够长的木板静止在光滑水平面上,质量为的物块(视为质点)静止在的左端,与之间的动摩擦因数为,剪断细绳,小球开始运动,重力加速度取。
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