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

随着科技的发展,仿真机器人越来越多的应用于军事、工业、抗洪救灾等方面。如图为某仿真机器兔的某次测试,厚度相同、质量相等的木板$A$与轨道$B$并排静止在光滑水平面上,木板$A$与轨道$B$水平部分上表面粗糙,轨道$B$竖直四分之一圆形部分的表面光滑,尺寸不计的仿真机器兔静止于木板$A$左端。已知$A$$B$质量$m$均为$2\;\rm kg$$A$木板长$2\ \rm m$$B$轨道水平部分长$1.1\ \rm m$,四分之一圆半径$R=0.05\ \rm m$,机器兔质量$M$$6\;\rm kg$,重力加速度$g=10\ \rm m/s^{2}$,忽略空气阻力。

机器兔从$A$木板左端走到$A$木板右端时,求机械兔与轨道$B$左端的水平距离;

[["

$1.5\\ \\rm m$

"]]

对于机器兔和$A$木板,整个系统无外力,满足动量守恒,则有$0=Mv_{1}-mv_{2}$

所以两边同时乘时间,则有$Mx_{1}=mx_{2}$

又因位移满足$x_{1}+x_{2}=L_{A}$

所以可解得$x_{2}=1.5\ \rm m$

已知轨道$B$水平部分上表面摩擦因数$\mu= \dfrac{1}{60}$,机器兔走到$A$木板右端相对木板静止后,固定木板$A$,以与水平方向成$45^\circ$夹角,大小为$4\;\rm m/s$的速度起跳,落到轨道$B$上后不反弹,且保持水平速度不变,然后在轨道上无动力滑行,求机械兔第一次离开轨道时,机械兔的速度大小;

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$\\sqrt{\\dfrac{31}{6}}\\ \\text{m/s}$

"]]

对于机器兔做斜上抛运动,在竖直方向,则有$0=v_{0}\sin 45^\circ  − gt$

在水平方向上,则有$x=2tv_{0}\cos 45^\circ $

可解得$x=1.6\ \rm m$

之后机器兔与轨道$B$,整个系统水平方向无外力,水平方向动量守恒,离开轨道时,水平方向与轨道共速,则有$Mv_{0}\cos 45^\circ =(M+m)v_{1}$

根据能量守恒,则有$\dfrac{1}{2}M{(v_{0}\cos 45{^\circ})}^{2}=\dfrac{1}{2}mv_{1}^{2}+\dfrac{1}{2}Mv^{2}+MgR+\mu Mg\lbrack L_{{B}}-(x-x_{2})\rbrack$

可解得$v=\sqrt{\dfrac{31}{6}}\ \text{m/s}$

机器兔走到$A$木板右端相对木板静止后,以做功最少的方式从$A$木板右端跳到$B$木板左端,求起跳过程机器兔做的功,及跳离瞬间的速度方向与水平方向夹角的正切值。

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$45\\;\\rm J$$1$

"]]

对于机器兔的斜上抛运动,在水平方向,则有$x_{2}=2t_{0}v_{2}\cos \alpha$

在竖直方向,则有$0=v_{2}\sin \alpha-gt_{0}$

可解得$v_{2}^{2}=\dfrac{gx_{2}}{\sin 2\alpha}$

所以,当初速度与水平方向的夹角为$\alpha=45^\circ $

$\tan \alpha=1$

此时,初速度为最小,即$v_{2}=\sqrt{15}\;\rm \text{m/s}$

对于机器兔起跳的瞬间,则有$W=\dfrac{1}{2}Mv_{2}^{2}=45\;\rm \text{J}$

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如图所示,光滑水平面上有一质量为、长度为的长木板,其右端有一质量为的滑块(可视为质点),滑块与木板间动摩擦因数为。初始时,二者以共同的速度一起向左运动,木板每次与墙面碰撞后瞬间,速度大小变为原来的一半,并反向运动。整个过程,滑块既没有从木板上掉下,也没有与墙面发生接触。知重力加速度取,求: 如图所示,水平传送带的右端靠近相同高度光滑平台的左端(平台不影响传送带的正常转动),平台右侧的光滑水平面上有一小车紧靠平台,且小车的上表面与平台等高,物体静止在平台上。传送带在电机的带动下以的速度顺时针匀速转动,将物体从传送带的最左端由静止释放,滑上平台后与物体发生弹性碰撞,碰后物体无摩擦地滑上小车,恰好没从小车上滑落。已知小车的质量,物块的质量,物块的质量,物块与传送带间的动摩擦因数,物块与小车上表面之间的动摩擦因数,传送带两转轴之间的距离,重力加速度取,物块均可看成质点。求: 质量为的长木板静止在光滑水平面上,另两个质量也是的物块和同时分别从的左、右两端滑上的上表面,初速度大小分别为和,如图所示,物块、与长木板间的动摩擦因数均为,假设物块、在长木板表面上运动时始终没有碰撞。试求: 如图甲所示,长木板放在光滑的水平面上,质量的另一物体以水平速度滑上原来静止的长木板的上表面,由于、间存在摩擦,之后、速度随时间变化情况如图乙所示,则下列说法正确的是(取) 如图所示,质量,长度的木板置于光滑水平地面上,质量的物块放在木板的右端,在木板左端正上方固定一弹性挡板,挡板与地面的距离正好能使木板通过。一长度不可伸长的轻绳一端固定,另一端连接质量的小球,将小球拉至水平并由静止释放,轻绳竖直时小球刚好与物块碰撞,物块与小球及挡板的碰撞均为弹性碰撞。将物块与小球视为质点,运动过程不计空气阻力,已知物块与木板间的动摩擦因数,重力加速度取。求: 如图所示,水平地面上左侧有一固定的圆弧斜槽,斜槽左端是四分之一光滑圆弧,圆弧半径为,右端是粗糙的水平面,紧挨着斜槽右侧有一足够长的小车,小车质量为,小车左端和斜槽末端平滑过渡但不粘连,在点静止放置一滑块(可视为质点)。滑块质量为,最右边有一固定的竖直墙壁,小车右端距离墙壁足够远。已知斜槽段长度为,由特殊材料制成,从点到点其与小球间的动摩擦因数随到点距离增大而均匀减小到,变化规律如图所示。滑块与小车的水平上表面间的动摩擦因数为,水平地面光滑,现将一质量为小球(可视为质点的)从斜槽顶端点静止滚下,经过后与静止在斜槽末端的滑块发生弹性碰撞,碰撞时间极短,碰撞后滑块滑上小车,小车与墙壁相碰时碰撞时间极短,每次碰撞后小车速度方向改变,速度大小减小为碰撞前的一半,重力加速度取。)已知小球运动到点时(还未与滑块碰撞)的速度大小为,求:
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