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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
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$AB$,圆弧半径为$R$,右端是粗糙的水平面$BC$,紧挨着斜槽右侧有一足够长的小车$P$,小车质量为$m_{0}=1\;\rm kg$,小车左端和斜槽末端$C$平滑过渡但不粘连,在$C$点静止放置一滑块$N$(可视为质点)。滑块质量为$m_{1}=2\;\rm kg$,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$BC$段长度为$L=1.2\ \rm m$,由特殊材料制成,从$B$点到$C$点其与小球间的动摩擦因数$\mu _{0}$随到$B$点距离增大而均匀减小到$0$,变化规律如图所示。滑块$N$与小车的水平上表面间的动摩擦因数为$\mu =0.1$,水平地面光滑,现将一质量为$m_{2}=2\;\rm kg$小球$M$(可视为质点的)从斜槽顶端$A$点静止滚下,经过$ABC$后与静止在斜槽末端的滑块$N$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$g=10\;\rm m/s^{2}$。)已知小球运动到$C$点时(还未与滑块碰撞)的速度大小为$12\;\rm m/s$,求:
圆弧半径$R$的大小;
$7.5\\ \\rm m$
"]]根据题意,由$\mu _{0}-x$图像可知,小球$M$从$B$点到$C$点克服摩擦力做功为$W_{{f}}=\dfrac{1}{2}\mu_{0}Lm_{2}g=6\;\rm \text{J}$
小球$M$从斜槽顶端$A$点运动到$C$点过程中,由动能定理有$m_{2}gR-W_{{f}}=\dfrac{1}{2}m_{2}v_{0}^{2}$
解得$R=7.5\ \rm m$;
小车与墙壁第$1$次碰撞后到与墙壁第$2$次碰撞前瞬间的过程中,滑块与小车间由于摩擦产生的热量;
$48\\;\\rm J$
"]]根据题意,在$C$点,小球$M$与滑块$N$发生弹性碰撞,由动量守恒定律和能量守恒定律有$m_{2}v_{0}=m_{2}v'_{2}+m_{1}v$
$\dfrac{1}{2}m_{2}v_{0}^{2}=\dfrac{1}{2}m_{2}{v'}_{2}^{2}+\dfrac{1}{2}m_{1}v^{2}$
解得$v'_{2}=0$,$v=v_{0}=12\;\rm m/s$
可知,小球与滑块碰后小球静止,滑块以$12\ \text m/s$的速度滑上小车,由于小车右端距离墙壁足够远,小车足够长,则滑块滑上后,小车与墙壁第$1$次碰撞前,滑块和小车一定达到共同速度,设为$v_{1}$,由动量守恒有$m_{1}v=(m_{1}+m_{0})v_{1}$
解得$v_{1}=8\;\rm m/s$
小车与墙壁第$1$次碰撞后小车速度变为$-\dfrac{1}{2}v_{1}$,滑块速度仍为$v_{1}$,碰后达到共同速度为$v_{2}$,由动量守恒定律有$- \dfrac{1}{2}m_{0}v_{1}+m_{1}v_{1}=\left( m_{1}+m_{0} \right)v_{2}$
解得$v_{2}=4\;\rm m/s$
小车与墙壁第$1$次碰撞后到与墙壁第$2$次碰撞前过程中,滑块与小车间产生的热量为$Q$,根据能量守恒得$\dfrac{1}{2}m_{0}\left( \dfrac{1}{2}v_{1} \right)^{2}+\dfrac{1}{2}m_{1}v_{1}^{2}=\dfrac{1}{2}\left( m_{1}+m_{0} \right)v_{2}^{2}+Q$
联立得$Q=48\;\rm J$;
小车与墙壁第$1$次碰撞后到与墙壁第$4$次碰撞前瞬间的过程中,小车运动的路程;
$10.5\\ \\rm m$
"]]根据牛顿第二定律有,滑块与小车相对运动过程中加速度大小分别为
$a_{1}=\dfrac{\mu m_{1}g}{m_{1}}=1\ \rm m/\text{s}^{2}$,$a_{2}=\dfrac{\mu m_{1}g}{m_{3}}=2\;\rm \text{m/s}^{2}$
由($2$)分析可知,小车第一次碰后的速度为$- \dfrac{v_{1}}{2}=- 4\dfrac{\text{m}}{\text{s}}$
小车和滑块再次共速时的速度为$v_{2}=4\ \text{m/s}$
小车向左减速到$0$的时间为$t_{1}=\dfrac{\dfrac{v_{1}}{2}}{a_{2}}=2\;\rm \text{s}$
向左运动的距离为$x_{1}=\dfrac{\dfrac{v_{1}}{2}}{2}t_{1}=4\;\rm \text{m}$
同理可得,小车向右加速到与滑块共速的时间为$t_{2}=\dfrac{v_{2}}{a_{2}}=2\;\rm \text{s}$
向右运动的距离为$x_{2}=\dfrac{v_{2}}{2}t_{2}=4\;\rm \text{m}$
则小车在第一次碰后到小车和滑块再次共速运动的位移为$0$,即滑块和小车在二次碰墙前恰好达到共速,分析可知,每次碰撞前两者恰好达到共同速度,则小车与墙壁第$1$次碰撞到第$2$次碰撞前过程中的路程为$s_{1}=x_{1}+x_{2}=8\ \rm m$
同理小车与墙壁第$2$次碰撞到第$3$次前碰撞过程中的路程为$s_{2}=2\ \rm m$
第$3$次碰撞到第$4$次碰撞前过程中的路程为$s_{3}=0.5\ \rm m$
则小车与墙壁第$1$次碰撞后到与墙壁第$4$次碰撞前瞬间的过程中,小车运动的路程为$s=s_{1}+s_{2}+s_{3}=10.5\ \rm m$;
画出小车与墙壁前三次碰撞时间内小车和滑块的$v − t$图像,不要求推导过程。
答案见解析
"]]综上所述,以小车第一次碰后为计时起点,画出小车与墙壁前三次碰撞时间内小车和滑块的$v-t$图像,如图所示:
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