| 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

如图所示为某游戏装置侧面图,半径$R=1.0\;\rm m$$\dfrac{1}{4}$圆弧轨道$AB$固定,质量$M=0.2\;\rm kg$、半径$r=0.06\;\rm m$的半圆弧轨道$CD$锁定在水平面$MN$上,一长为$L=0.8\;\rm m$、质量也为$M=0.2\;\rm kg$、的平板小车停在$MN$轨道的最左端紧靠$BM$,小车上表面与$B$$C$点等高,将一可视为质点、质量$m=0.8\;\rm kg$的滑块从距$B$点高度为$h$处静止释放,滑上小车后带动小车向右运动,小车与轨道$CD$碰撞(碰撞时间极短)后即被粘在$C$处,滑块可沿轨道$CD$继续运动。已知水平轨道$MN$$BC$间距均足够长,滑块与小车的动摩擦因数$\mu =0.25$,其余接触面均光滑,取$g=10\;\rm m/s^{2}$,求:

$h_{1}=0.2\;\rm m$,滑块运动到圆弧底端$B$点时受到的支持力大小;

[["

$11.2\\;\\rm N$

"]]

滑块从起点滑到圆弧轨道底端$B$点,根据机械能守恒定律$mgh_{1}=\dfrac{1}{2}mv^{2}$

滑块做圆周运动,在$B$点,由牛顿第二定律得$F_{\text{N}}-mg=m\dfrac{v^{2}}{R}$

联立解得$F_{\rm N}=11.2\;\rm N$

要使滑块不会从小车上掉下,最大的高度$h_{2}$

[["

$1.0\\;\\rm m$

"]]

下滑阶段,根据机械能守恒定律有$mgh_{2} =\dfrac{1}{2}mv_{1}^{2}$

滑块与车达到共速时,恰好位于小车右端,根据动量守恒定律可得$mv_{1}=(m+M)v_{共1}$

系统损失的动能转化为摩擦生热$\mu mgL=\dfrac{1}{2}mv_{1}^{2}-\dfrac{1}{2}(m+M)v_{共1}^{2}$

联立求得$h_{2}=1.0\;\rm m$

要使滑块能过最高点$D$,则$h$的取值范围:

[["

$0.42\\;{\\rm m}\\leqslant h\\leqslant 1.0\\;\\rm m$

"]]

要使滑块能从$D$点飞出,最大高度为$h_{2}=1.0m$

设最小高度为$h'_{2}$,滑块到$C$轨道的最高点速度为$v_{D}$,滑块滑到$B$点速度为$v_{2}$,与小车达到共速为$v_{共2}$,小车滑到$C$点速度为$v_{C}$,沿$AB$弧线下滑机械能守恒$mg{h'}_{2}=\dfrac{1}{2}mv_{2}^{2}$

根据动量守恒定律$mv_{2}=(m+M)v_{共2}$

根据能量守恒$mg{h'}_{2}-\mu mgL=\dfrac{1}{2}Mv_{共2}^{2}+\dfrac{1}{2}mv_{D}^{2}+2mgr$

$D$点,有$mg=m\dfrac{v_{D}^{2}}{r}$

联立求得$h'_{2}\approx 0.42\;\rm m$

所以$h$的取值范围$0.42\;{\rm m}\leqslant h\leqslant 1.0\;\rm m$

若撤去小车,将半圆弧轨道$CD$紧靠$BM$放置且不固定,滑块从$h_{3}=0.8\;\rm m$处静止释放运动到$D$点时受到的压力。

[["

$45.3\\;\\rm N$,方向竖直向下

"]]

滑块释放高度为$h_{3}$,且滑块到达$D$的过程中,有$mgh_{3}=\dfrac{1}{2}mv_{3}^{2}$$mv_{3}=mv_{11}+Mv_{22}$$2mgr=\dfrac{1}{2}mv_{3}^{2}- \dfrac{1}{2}mv_{11}^{2}-\dfrac{1}{2}Mv_{22}^{2}$

联立得$v_{11}=2.8\;\rm m/s$$v_{22}=4.8\;\rm m/s$

根据牛顿第二定律可得${F'}_{\text{N}}+mg=m\dfrac{{(v_{11}-v_{22})}^{2}}{r}$

解得$F'_{N}\approx 45.3\;\rm N$

方向竖直向下。

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