高中 | 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,物块$A$$C$都视为质点,$A$放在长木板$B$右端,$C$通过轻绳绕过光滑定滑轮与$B$右端相连。已知$B$的质量为$m_{1}=3\;\rm kg$,与水平平台间的动摩擦因数为$\mu _{1}=0.2$$A$的质量为$m_{2}=2\;\rm kg$$A$$B$间动摩擦因数$\mu _{2}=0.1$。托住$C$,刚好拉直轻绳且系统处于静止状态,$C$距地面高度为$h=1.5\;\rm m$,静止释放$C$。已知$B$右端离定滑轮足够远,在本题涉及的物理过程中不会与滑轮相碰,$C$若落地后不会反弹,长木板$B$足够长。认为最大静摩擦力等于滑动摩擦力,取$g=10\;\rm m/s^{2}$

若物块$C$质量是$0.8\;\rm kg$,求轻绳拉力大小;

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$8\\;\\rm N$

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滑板$B$受到地面的最大静摩擦$f_{B\max}=\mu _{1}(m_{1}+m_{2})g=10\;\rm N$

$G_{C}=m_{C}g=8\;{\rm N}\lt f_{B\max}$

$A$$B$均不动。轻绳拉力$T_{1}=G_{C}=8\;\rm N$

若物块$C$质量是$3\;\rm kg$,求物块$C$下落的时间;

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$1\\;\\rm s$

"]]

若物块$C$质量是$3\;\rm kg$,假设$ABC$一起匀加速,设细绳拉力为$T_{2}$,则有对$C$$m_{C}g-T_{2}=m_{C}a$

$AB$整体$T_{2} − \mu _{1}(m_{1}+m_{2})g=(m_{1}+m_{2})a$

解得$a=2.5\;\rm m/s^{2}$

此时对$A$分析$f_{A}=m_{2}a=5\;{\rm N}\gt f_{A\max}=2\;\rm N$

说明$A$$B$发生相对滑动。

设细绳拉力为$T$$BC$的加速度为$a_{BC}$,对$C$$m_{C}g-T=m_{C}a_{BC}$

$B$$T-\mu _{1}(m_{1}+m_{2})g-\mu _{2}m_{2}g=m_{1}a_{BC}$

解得$a_{BC}=3\;\rm m/s^{2}$

$C$下落时有$h=\dfrac{1}{2}a_{BC}t^{2}$

解得$t=1\;\rm s$

若物块$C$质量是$3\;\rm kg$,求最终$A$$B$右端的长度。

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$\\dfrac{63}{80}\\ \\text{m}$

"]]

$A$滑动时有$\mu _{2}m_{2}g=m_{2}a_{A}$

解得$a_{A}=1\;\rm m/s^{2}$

$C$落地时$v_{A}=a_{A}t=1\;\rm m/s$$v_{B}=a_{BC}t=3\;\rm m/s$

$C$落地后对$B$$\mu _{1}(m_{1}+m_{2})g+\mu _{2}m_{2}g=m_{1}a_{B}$

解得$a_{B}=4\;\rm m/s^{2}$

设经过$\Delta t$时间$AB$共速,有$v_{共}=v_{A}+a_{A}\Delta t$$v_{共}=v_{B} − a_{B}\Delta t$

解得$v_{共}=1.4\;\rm m/s$$\Delta t=0.4\;\rm s$

由于$\mu _{1}\gt \mu _{2}$,故$AB$共速后仍会发生相对滑动,此时$a_{A}=1\;\rm m/s^{2}$

对滑板$B$$\mu _{1}(m_{1}+m_{2})g-\mu _{2}m_{2}g=m_{1}a_{B}'$

解得$a_{B}'=\dfrac{8}{3}\ \text{m}/\text{s}^{2}$

作出$AB$运动的$v-t$图像如图

$AB$均静止时,$A$$B$右端的长度$x=\dfrac{1}{2}v_{A}t+\dfrac{v_{A}+v_{共}}{2}\Delta t-\dfrac{v_{共}}{2}(t+\Delta t)-\left( \dfrac{v_{共}^{2}}{2a_{A}}-\dfrac{v_{共}^{2}}{2a_{B}^{'}} \right)$

解得$x=0.7875\;\rm \text{m}=\dfrac{63}{80}\ \text{m}$

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