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,光滑水平面上有一质量为$m=1\;\rm kg$、长度为$L$的长木板,其右端有一质量为$m=1\;\rm kg$的滑块(可视为质点),滑块与木板间动摩擦因数为$\mu =0.5$。初始时,二者以共同的速度$v_{0}=4\;\rm m/s$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$g$$10\;\rm m/s^{2}$,求:

首次碰撞后开始计时,木板速度第一次减为零时的位移大小;

[["

$0.4\\;\\rm m$

"]]

$1$次碰撞后,木板向右做匀减速直线运动,速度为零时,位移为$s$

对木板由动能定理可得$- \mu mgs=- \dfrac{1}{2}m\left( \dfrac{v_{0}}{2} \right)^{2}$

解得$s=\dfrac{v_{0}^{2}}{8\mu g}$

代入数据得$s=0.4\;\rm m$

木板长度$L$的最小值;

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$1.92\\;\\rm m$

"]]

之后,木板向左做匀加速直线运动,设板块最终有共同速度$v_{1}$,对于系统,由动量守恒定律得$mv_{0}-m\dfrac{v_{0}}{2}=2mv_{1}$

解得$v_{1}=\dfrac{v_{0}}{4}$

即板块以共同的速度$\dfrac{v_{0}}{4}$再次与墙面发生二次碰撞,第$1$次碰撞后至第$1$次共速二者相对位移为$L_{1}$,由能量守恒$\mu mgL_{1}=\dfrac{1}{2}mv_{0}^{2}+\dfrac{1}{2}m\left( \dfrac{v_{0}}{2} \right)^{2}-\dfrac{1}{2} \cdot 2m\left( \dfrac{v_{0}}{4} \right)^{2}$

解得$L_{1}=\dfrac{9v_{0}^{2}}{16\mu g}$

同理$m\dfrac{v_{0}}{4}-m\dfrac{v_{0}}{8}=2mv_{2}$

解得$v_{2}=\dfrac{v_{0}}{16}=\dfrac{v_{0}}{4^{2}}$

$2$次碰撞后至第$2$次共速二者相对位移,由能量守恒得$\mu mgL_{2}=\dfrac{1}{2}m\left( \dfrac{v_{0}}{4} \right)^{2}+\dfrac{1}{2}m\left( \dfrac{v_{0}}{8} \right)^{2}-\dfrac{1}{2} \cdot 2m\left( \dfrac{v_{0}}{16} \right)^{2}$

解得$L_{2}=\dfrac{9v_{0}^{2}}{16\mu g} \cdot \dfrac{1}{16}$

以后每次情况均是如此,直至碰撞无数次后系统处于静止状态

此可得第$n$次碰撞后共速的速度$v_{n}=\dfrac{v_{0}}{4^{n}}$

$n$次碰撞后至第$n$次共速二者相对位移$\mu mgL_{n}=\dfrac{1}{2}mv_{n-1}^{2}+\dfrac{1}{2}m\left( \dfrac{v_{n-1}}{2} \right)^{2}-\dfrac{1}{2} \cdot 2m\left( v_{n} \right)^{2}$

解得$L_{n}=\dfrac{9v_{0}^{2}}{16\mu g}\left( \dfrac{1}{16} \right)^{n-1}$

由等比数列求和公式可得$L=\sum\limits_{n=1}^{\infty}L_{n}=\dfrac{9v_{0}^{2}}{16\mu g}\left( \dfrac{1}{1-\dfrac{1}{16}} \right)=\dfrac{9v_{0}^{2}}{15\mu g}$

代入数据得$L=1.92\;\rm m$

整个过程因摩擦产生的热量。

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$Q=9.6\\;\\rm J$

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摩擦生热$Q=\mu mgL=\dfrac{9mv_{0}^{2}}{15}$

代入数据得$Q=9.6\;\rm J$

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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: 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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