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| 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$A$紧靠平台,且小车$A$的上表面与平台等高,物体$B$静止在平台上。传送带在电机的带动下以$v_{0}=8\;\rm m/s$的速度顺时针匀速转动,将物体$C$从传送带的最左端由静止释放,滑上平台后与物体$B$发生弹性碰撞,碰后物体$B$无摩擦地滑上小车,恰好没从小车上滑落。已知小车$A$的质量$m_{A}=2\;\rm kg$,物块$B$的质量$m_{B}=6\;\rm kg$,物块$C$的质量$m_{C}=2\;\rm kg$,物块$C$与传送带间的动摩擦因数$\mu _{1}=0.4$,物块$B$与小车上表面之间的动摩擦因数$\mu _{2}=0.2$,传送带两转轴之间的距离$l=12\;\rm m$,重力加速度$g$取$10\;\rm m/s^{2}$,物块均可看成质点。求:
物块$C$第一次通过传送带的过程中,传送带摩擦力对它的冲量大小$I$;
$I=16\\;\\rm N\\cdot s$
"]]经分析判断,物块$C$由静止释放后,在传送带摩擦力作用下先做加速运动,与传送带速度大小相等以后,做匀速运动,不受摩擦力的作用,离开传送带时与传送带的速度相等,所以摩擦力的冲量$I=m_{C}v_{0}=16\;\rm N\cdot s$
物块$C$与$B$碰撞后,两物块的速度大小$v_{1}$、$v_{2}$;
$v_{1}=-4\\;\\rm m/s$,$v_{2}=4\\;\\rm m/s$
"]]物块$C$与$B$碰撞过程,动量守恒和动能守恒
$m_{C}v_{0}=m_{C}v_{1}+m_{B}v_{2}$,$\dfrac{1}{2}m_{C}v_{0}^{2}=\dfrac{1}{2}m_{C}v_{1}^{2}+\dfrac{1}{2}m_{B}v_{2}^{2}$
解得$v_{1}=-4\;\rm m/s$,$v_{2}=4\;\rm m/s$
小车的长度$L$;
$L=1\\ \\rm m$
"]]最终物块$B$与小车达到共同速度,根据动量守恒和能量守恒
$m_{B}v_{2}=(m_{B}+m_{A})v$,$- \mu_{2}m_{B}gL=\dfrac{1}{2}\left( m_{B}+m_{A} \right)v^{2}-\dfrac{1}{2}m_{B}v_{2}^{2}$
解得小车的长度$L=1\ \rm m$
物块$C$与传送带间因摩擦而产生的热量$Q$。
$Q=192\\;\\rm J$
"]]物块$C$第一次在传送带上加速的过程中,与传送带的相对位移为$\Delta x_{1}$,则有$v_{0}=at_{1}$,$\Delta x_{1}=v_{0}t_{1}-\dfrac{1}{2}v_{0}t_{1}$
产生的热量$Q_{1}=\mu _{1}m_{C}g\Delta x_{1}$
联立代入数据解得$Q_{1}=64\;\rm J$
与$B$碰撞后返回传送带减速,设减速时间为$t_{2}$,与传送带的相对位移为$\Delta x_{2}$,则有$v_{1}=at_{2}$,$\Delta x_{2}=v_{0}t_{2}+\left| \dfrac{1}{2}v_{1}t_{2} \right|$
产生的热量$Q_{2}=\mu _{1}m_{C}g\Delta x_{2}$
联立代入数据解得$Q_{2}=80\;\rm J$
再一次向右通过传送带的过程,加速时间仍为$t_{2}$,与传送带的相对位移为$\Delta x_{3}$,则有$\Delta x_{3}=v_{0}t_{2}-\left| \dfrac{1}{2}v_{1}t_{2} \right|$
产生的热量$Q_{3}=\mu _{1}m_{C}g\Delta x_{3}$
联立解得$Q_{3}=48\;\rm J$
之后$C$离开平台,故物块$C$与传送带间因摩擦产生的热量$Q=Q_{1}+Q_{2}+Q_{3}=192\;\rm J$
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