| 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$$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$I$

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$I=16\\;\\rm N\\cdot s$

"]]

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$$B$碰撞后,两物块的速度大小$v_{1}$$v_{2}$

[["

$v_{1}=-4\\;\\rm m/s$$v_{2}=4\\;\\rm m/s$

"]]

物块$C$$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$L$

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$L=1\\ \\rm m$

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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$Q$

[["

$Q=192\\;\\rm J$

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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$Q_{1}=64\;\rm J$

$B$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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如图所示,滑板静止在光滑水平面上,其右端与固定挡板相距,滑块静止在的左端。一子弹以水平速度射向后留在中(此过程时间极短)。已知子弹的质量为,的质量,的质量,、之间动摩擦因数为,足够长,不会从表面滑出;与挡板碰撞无机械能损失,不计空气阻力,重力加速度。 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: 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: 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:
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