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

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;

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$7.5\\ \\rm m$

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根据题意,由$\mu _{0}-x$图像可知,小球$M$$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;

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$48\\;\\rm J$

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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;

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$10.5\\ \\rm m$

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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$s_{2}=2\ \rm m$

$3$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。

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答案见解析

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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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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: 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、质量相等的木板与轨道并排静止在光滑水平面上,木板与轨道水平部分上表面粗糙,轨道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左端。已知、质量均为,木板长,轨道水平部分长,四分之一圆半径,机器兔质量为,重力加速度,忽略空气阻力。
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