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高中 | 牛顿第三定律题目答案及解析如下,仅供参考!
必修1
第四章 牛顿运动定律
4.5 牛顿第三定律
牛顿第三定律
如图所示,在竖直平面内倾角$\theta=37^\circ$的粗糙斜面$AB$、粗糙水平地面$BC$、光滑半圆轨道$CD$平滑对接,$CD$为半圆轨道的竖直直径,$BC$长为$l$,斜面最高点$A$与地面高度差为$h=1.5l$,轨道$CD$的半径为$R= \dfrac{l}{4}$,$C$点静止有一个质量为$2m$的小球$Q$。现将质量为$m$的小滑块$P$从$A$点由静止释放,$P$与$AB$、$BC$轨道间的动摩擦因数均为$\mu = \dfrac{1}{8}$,$P$与$Q$发生碰撞的时间极短且没有机械能损失,已知重力加速度大小为$g$,$\sin37^\circ=0.6$,$\cos37^\circ=0.8$。求
$P$碰撞$Q$之前瞬间,滑块$P$的速度大小;
$P$碰撞$Q$之前瞬间,滑块$P$的速度大小$\\dfrac{3}{2}\\sqrt{gl}$
"]]对$P$,从$A$到$B$,根据动能定理有$mgh - \mu mg\cos\theta\dfrac{h}{\sin\theta} = \dfrac{1}{2}mv_{B}^{2}$
从$B$到$C$,根据动能定理有$- \mu mgl = \dfrac{1}{2}mv_{0}^{2} - \dfrac{1}{2}mv_{B}^{2}$
联立解得$v_{0} = \dfrac{3}{2}\sqrt{gl}$
$P$碰撞$Q$之后瞬间,小球$Q$对圆轨道的压力大小;
$P$碰撞$Q$之后瞬间,小球$Q$对圆轨道的压力大小$10mg$
"]]$P$、$Q$碰撞,根据动量守恒定律和能量守恒定律有$mv_{0}=mv_{P}+2mv_{Q}\dfrac{1}{2}mv_{0}^{2} = \dfrac{1}{2}mv_{P}^{2} + \dfrac{1}{2} \cdot 2mv_{Q}^{2}$
联立解得$v_{Q} = \sqrt{gl}$
碰后$Q$通过$C$点时,由牛顿第二定律有$F_{N} - 2mg = 2m\dfrac{v_{Q}^{2}}{R}$
又$R = \dfrac{l}{4}$
联立解得$F_{N}=10mg$
由牛顿第三定律得$F_{压}=10mg$
碰撞后小球$Q$所能达到的最大离地高度。(不考虑小球$Q$落到$ABC$面之后的运动)
碰撞后小球$Q$所能达到的最大离地高度$\\dfrac{25}{54}L$
"]]若小球恰好通过最高点$D$,有$2mg = 2m\dfrac{v_{临}^{2}}{R}$
解得$v_{临} = \dfrac{\sqrt{gl}}{2}$
对应在最低点$C$所需的最小速度为$v_{\min}$,从$C$到$D$,根据机械能守恒有$\dfrac{1}{2} \times 2mv_{\min}^{2} = \dfrac{1}{2} \times 2mv_{临}^{2} + 2mg \times 2R$
得$v_{\min} = \sqrt{\dfrac{5}{4}gl}$
若小球刚好到达圆心等高处,对应在最低点$C$所需的最小速度为$v_{\min2}$,由动能定理$\dfrac{1}{2} \times 2mv_{\min 2}^{2} = 2mgR$
得$v_{\min 2} = \sqrt{\dfrac{1}{2}gl}$
由于$\sqrt{\dfrac{1}{2}gl}\lt v_{Q}\lt \sqrt{\dfrac{5}{4}gl}$
可知小球可以通过圆弧面上与圆心等高的点,但到不了最高点$D$,中途将做斜抛运动,设在$E$点脱离轨道,$E$与圆心连线跟竖直方向成$\theta$,如图
有$2mg\cos\theta = 2m\dfrac{v_{E}^{2}}{R}\dfrac{1}{2} \times 2mv_{Q}^{2} = 2mg(R + R\cos\theta) + \dfrac{1}{2} \times 2mv_{E}^{2}$
联立解得$\cos\theta = \dfrac{2}{3}\sin\theta = \dfrac{\sqrt{5}}{3}v_{E} = \sqrt{\dfrac{1}{6}gl}$
由斜抛运动规律可知,小球斜抛的最大高$h_{m} = \dfrac{{(v_{E}\sin\theta)}^{2}}{2g}$
小球最大离地高度$H_{m}=R+R\cos\theta+h_{m}$
解得$H_{m} = \dfrac{25}{54}L$
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