| 动能定理解决多过程问题 题目答案及解析

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必修2

第七章 机械能守恒定律

7.7 动能和动能定理

动能定理解决多过程问题

一游戏装置的竖直截面如图所示。倾斜直轨道$AB$、半径为$R$的竖直螺旋轨道、水平轨道$BC$$C{^\prime}E$、倾角为$37^\circ $的倾斜直轨道$EF$平滑连接成一个抛体装置。该装置除$EF$段轨道粗糙外,其余各段均光滑,$F$点与水平高台$GHI$等高。游戏开始,一质量为$m$的滑块$1$从轨道$AB$上的高度$h$处静止滑下,与静止在$C$点、质量也为$m$的滑块$2$发生完全非弹性碰撞后组合成滑块$3$,滑上滑轨。若滑块$3$落在$GH$段,反弹后水平分速度保持不变,竖直分速度减半;若滑块落在$H$点右侧,立即停止运动。已知$R=0.2\;\rm m$$m=0.1\;\rm kg$$EF$段长度$L=\dfrac{5}{16}\ \text{m}$$FG$间距$LFG=0.4\;\rm m$$GH$间距$L_{GH}=0.22\;\rm m$$HI$间距$L_{HI}=0.1\;\rm m$$EF$$\mu =0.25$。滑块$1$$2$$3$均可视为质点,不计空气阻力,$\sin 37{^\circ}=0.6$$\cos 37{^\circ}=0.8$$g=10\;\rm m/s^{2}$

$h=0.8\ \rm m$,求碰撞后瞬间滑块$3$的速度大小$v_{C}$

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$v_{C}=2\\;\\rm m/s$

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对滑块$1$由动能定理$mgh=\dfrac{1}{2}mv_{0}^{2}$

解得滑块$1$与滑块$2$碰前的速度大小为$v_{0}=4\;\rm m/s$

滑块$1$与滑块$2$碰撞过程中,由动量守恒定律$mv_{0}=2mv_{C}$

解得碰撞后瞬间滑块$3$的速度大小为$v_{C}=2\;\rm m/s$

若滑块$3$恰好能通过圆轨道$CDC{^\prime}$,求高度$h$

[["

$2\\;\\rm m$

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在轨道$D$点,由牛顿第二定律$2mg=2m\dfrac{v_{D}^{2}}{R}$

解得$v_{D}=\sqrt{2}\;\rm \text{m/s}$

滑块$3$$D$点到$C{'}$点,由机械能守恒定律$\dfrac{1}{2} \times 2mv_{C}{{}{'}}^{2}=2mg \cdot 2R+\dfrac{1}{2} \times 2mv_{D}^{2}$

解得${v_{C}}{'}=\sqrt{10}\;\rm \text{m/s}$

结合$mgh=\dfrac{1}{2}mv_{0}{{}{'}}^{2}$$mv_{0}'=2mv_{C}'$

联立解得$h=2\;\rm m$

若滑块$3$最终落入$I$点的洞中,则游戏成功。讨论游戏成功的高度$h$

[["

$2.5\\;\\rm m$$2\\;\\rm m$

"]]

滑块$3$$C{'}$点到$F$点的过程中,由动能定理$- 2mgL\sin 37{^\circ}-\mu \cdot 2mg\cos 37{^\circ}L=\dfrac{1}{2} \times 2mv_{F}^{2}-\dfrac{1}{2} \times 2mv_{C}{{}{'}}^{2}$

若滑块$3$直接落入洞中,则竖直方向$v_{F}\sin 37{^\circ}=g\dfrac{t_{1}}{2}$

水平方向$L_{FG}+L_{GH}+L_{HI}=v_{F}\cos 37^\circ t_{1}$

结合$mgh_{1}=\dfrac{1}{2}mv_{0}{{}{''}}^{2}$$mv_{0}^{″}=2mv_{C}^{″}$

联立解得$h_{1}=2.5\ \rm m$

若经一次反弹落入洞中,则$t_{2}=\dfrac{2{v_{F}}{'}\sin 37{^\circ}}{g}+\dfrac{{v_{F}}{'}\sin 37{^\circ}}{g}$

水平方向$L_{FG}+L_{GH}+L_{HI}=v_{F}'\cos37^{\circ}t_{2}$

结合$mgh_{2}=\dfrac{1}{2}mv_{0}{{}{'''}}^{2}$$mv_{0}^{‴}=2mv_{C}^{‴}$$- 2mgL\sin 37{^\circ}-\mu \cdot 2mg\cos 37{^\circ}L=\dfrac{1}{2} \times 2mv_{F}{{'}}^{2}-\dfrac{1}{2} \times 2mv_{C}{{}{'''}}^{2}$

联立解得$h_{2}=2\ \rm m$

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