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,质量$M=3\;\rm kg$,长度$l=3.75\;\rm m$的木板$C$置于光滑水平地面上,质量$m=1\;\rm kg$的物块$B$放在木板$C$的右端,在木板$C$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$C$通过。一长度$l_{0}=4.05\;\rm m$不可伸长的轻绳一端固定,另一端连接质量$m_{0}=0.5\;\rm kg$的小球$A$,将小球$A$拉至水平并由静止释放,轻绳竖直时小球$A$刚好与物块$B$碰撞,物块$B$与小球$A$及挡板的碰撞均为弹性碰撞。将物块$B$与小球$A$视为质点,运动过程不计空气阻力,已知物块$B$与木板$C$间的动摩擦因数$\mu =0.5$,重力加速度$g$$10\;\rm m/s^{2}$。求:

小球$A$与物块$B$碰撞后轻绳与竖直方向的最大角度为$\theta$,计算$\cos\theta$的值;

[["

$\\dfrac{8}{9}$

"]]

对小球$A$机械能守恒$m_{0}gl_{0}=\dfrac{1}{2}m_{0}{v_{0}}^{2}$

$v_{0}=9\;\rm m/s$

弹性碰撞动量和能量关系$m_{0}v_{0}=m_{0}v'+mv_{1}$

$\dfrac{1}{2}m_{0}{v_{0}}^{2}=\dfrac{1}{2}m_{0}v'^{2}+\dfrac{1}{2}m{v_{1}}^{2}$

解得$v'=-3\;\rm m/s$$v_{1}=6\;\rm m/s$

对小球$A$碰撞后机械能守恒$\dfrac{1}{2}m_{0}v'^{2}=m_{0}gh$

$\cos\theta=\dfrac{l_{0}-h}{l_{0}}=\dfrac{8}{9}$

物块$B$与木板$C$左端的最小距离;

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$1.05\\;\\rm m$

"]]

$B$$C$上滑动过程$\mu mg=ma_{B1}$

$a_{B1}=5\;\rm m/s^{2}$

$\mu mg=Ma_{C1}$

$a_{C1}=\dfrac{5}{3}\ \text{m/s}^{2}$

假设$BC$共速后,$B$与挡板碰撞,有$v_{1}-a_{B1}t_{1}=a_{C1}t_{1}$

$v=v_{1}-a_{B1}t_{1}=1.5\;\rm m/s$

$t_{1}=0.9\;\rm s$

$s_{B1}=3.375\;{\rm m}\lt l$

假设成立。$s_{C1}=0.675\;\rm m$

$\Delta s_{1}=s_{B1}-s_{C1}=2.7\;\rm m$

$l_{1}=l-\Delta s_{1}=1.05\;\rm m$

物块$B$与挡板前两次碰撞的时间间隔;

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$0.675\\;\\rm s$

"]]

第一次碰后$v_{C}=1.5\;\rm m/s$

$v_{B}=-1.5\;\rm m/s$

$v_{C}-a_{C1}t_{2}=v_{B}+a_{B1}t_{2}$

$t_{2}=0.45\;\rm s$

$s_{B2}=- \dfrac{27}{160}\ \text{m}$

$v_{2}=v_{C}-a_{C1}t_{2}=0.75\;\rm m/s$

$t_{3}=-\dfrac{s_{B2}}{v_{2}}=0.225\;\rm \text{s}$

$\Delta t=t_{2}+t_{3}=0.675\;\rm s$

最终物块$B$与木板$C$右端的距离。

[["

$1.8\\;\\rm m$

"]]

与挡板碰撞后$\Delta s_{2}=0.675\;\rm m$

$\Delta s_{3}=\dfrac{1}{4}\Delta s_{2}$

碰后$B$相对于$C$向右的总位移$\Delta s=\Delta s_{2}+\Delta s_{3}+\cdots+\Delta s_{n}=0.9\;\rm m$

$l_{右}=\Delta s_{1}-\Delta s=1.8\;\rm m$

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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,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: 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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