| 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,轨道的上表面由长度为$2R$的水平部分$CB$和半径为$R$的四分之一光滑圆弧$AB$组成,轨道质量为$2m$,静止于光滑的水平地面上。一质量为$m$的小滑块(看作质点)从$C$点开始沿$CB$面水平向左运动,$CB$面与小滑块之间的动摩擦因数为$\mu $,重力加速度大小为$g$。要使滑块能越过$B$点滑上圆弧$AB$,求:

滑块运动到$B$点的过程中产生的热量;

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滑块运动到$B$点的过程中产生的热量$2\\mu mgR$

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滑块运动到$B$点的过程中产生的热量为

$Q=\mu mg\cdot 2R=2\mu mgR$

滑块在$C$点的初速度$v_{0}$满足的条件。

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滑块在$C$点的初速度满足$v_{0}\\gt \\sqrt{6\\mu gR}$

"]]

滑块在水平轨道上向左做匀减速直线运动,滑块恰好到达$B$点时与轨道共速,取向左为正方向,由能量守恒定律和动量守恒定律得$\mu mg \cdot 2R = \dfrac{1}{2}mv_{0}^{2} - \dfrac{1}{2}(2m + m)v_{B}^{2}$

$mv_{0}=(2m+m)v_{B}$

联立解得$v_{0} = \sqrt{6\mu gR}$

要使滑块能越过$B$点滑上圆弧$AB$,滑块在$C$点的初速度应满足$v_{0}\gt \sqrt{6\mu gR}$

若滑块在$C$点的初速度$v_{0}$,求滑块滑上圆弧$AB$后能达到的最大高度。

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滑块滑上圆弧$AB$后能达到的最大高度$\\dfrac{2}{3}\\mu R$

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滑块滑上圆弧$AB$后当滑块和轨道共速时,滑块达到最大高度$h$,取向左为正方向,由系统水平方向动量守恒和能量守恒可得

$mv_{0}=(m+2m)v_{共}mgh = \dfrac{1}{2}mv_{0}^{2} - \dfrac{1}{2}(m + 2m)v_{共}^{2} - \mu mg \cdot 2R$

解得滑块滑上圆弧$AB$后能达到的最大高度为$h = \dfrac{2}{3}\mu R$

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如图所示,左端为四分之一圆弧的木板静止置于光滑水平面上,圆弧与木板水平部分相切于点。在木板右端固定一轻弹簧,其自由端位于木板上点正上方,将质量为的小物块(可视为质点)自点上方高度为处的某点静止释放,沿切线进入圆弧,已知长木板质量为,圆弧的半径为,,段粗糙,与小物块间的动摩擦因数为,其余部分均光滑。重力加速度为。 如图所示,质量为,足够长的木板静止在光滑的水平地面上,在长木板右侧有质量为的物块,在长木板的右端距离木板处有一个与长木板等高的台阶,物块与木板、台阶的动摩擦因数为,某时刻对木板施加水平向右,大小的恒定拉力,作用后撤去,之后木板经过一段时间与台阶碰撞,碰后木板立刻停止运动,重力加速度,设最大静摩擦力等于滑动摩擦力。试求: 如图所示,静止在水平地面上的水平木板右端固定有厚度不计的竖直薄挡板,两者构成一个整体,其质量为,水平长度为。可视为质点、质量为的物块以水平向右的速度从左端冲上木板。已知:、间的动摩擦因数为,与地面间的动摩擦因数为,设最大静摩擦力等于滑动摩擦力,与挡板之间的碰撞为瞬间完成的弹性正碰,重力加速度大小取。求: 如图所示为一款游戏装置的示意图。由固定的竖直轨道和水平轨道两部分组成。竖直轨道为倾角长的粗糙斜面,水平轨道由长的直轨道和两个半径为的半圆轨道组成,半圆轨道的外侧均有光滑的圆弧挡板(图中未画出)。竖直轨道和水平轨道通过直轨道连接,所有轨道相互平滑连接。和之间的地面光滑,靠近处放置与轨道等高、长度为、质量为的长木板。现将质量、可视为质点的小滑块从点以速度水平抛出,恰好沿切线方向进入斜面,并进入水平轨道,调节半圆轨道的半径的大小,使滑块最终停在长木板上。已知滑块与斜面的动摩擦因数,与长木块上表面的动摩擦因数,其余阻力均忽略不计,长木板与和处的固定桩相碰后以原速率反弹,且碰撞时间极短,重力加速度取,求: 如图所示,滑板静止在光滑水平面上,其右端与固定挡板相距,滑块静止在的左端。一子弹以水平速度射向后留在中(此过程时间极短)。已知子弹的质量为,的质量,的质量,、之间动摩擦因数为,足够长,不会从表面滑出;与挡板碰撞无机械能损失,不计空气阻力,重力加速度。 某娱乐活动的部分闯关环节可简化抽象为下面的情景。如图所示,长、质量的木板静止在光滑水平面上,左右平台无限长且与木板等高,木板左端与左平台接触,质量的小滑块在恒力作用下从静止开始运动,力与水平方向的夹角为,作用后撤去,小滑块又滑行后以的速度离开平台后滑上木板,小滑块与所有接触面间的动摩擦因数均为,小滑块可视为质点,重力加速度取。已知,。求:
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