稿件来源:高途
高中 | 动量守恒之木板滑块模型题目答案及解析如下,仅供参考!
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$M$为$6\;\rm kg$,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;
$\\sqrt{\\dfrac{31}{6}}\\ \\text{m/s}$;
"]]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。
$45\\;\\rm J$,$1$。
"]]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 $
即$\tan \alpha=1$
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$W=\dfrac{1}{2}Mv_{2}^{2}=45\;\rm \text{J}$。
高中 | 动量守恒之木板滑块模型题目答案及解析(完整版)