| 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,静止在水平地面上的水平木板右端固定有厚度不计的竖直薄挡板,两者构成一个整体$B$,其质量为$m_{B}=1.0\;\rm kg$,水平长度为$L=1.0\;\rm m$。可视为质点、质量为$m_{A}=2.0\;\rm kg$的物块$A$以水平向右的速度$v_{0}=2.5\;\rm m/s$从左端冲上木板$B$。已知:$A$$B$间的动摩擦因数为$\mu _{1}=0.2$$B$与地面间的动摩擦因数为$\mu _{2}=0.3$,设最大静摩擦力等于滑动摩擦力,$A$与挡板之间的碰撞为瞬间完成的弹性正碰,重力加速度大小取$g=10\;\rm m/s^{2}$。求:

$A$与挡板碰撞前瞬间,$A$的速度大小$v_{1}$

[["

$1.5\\;\\rm m/s$

"]]

$AB$间的滑动摩擦力为:$f_{1}=\mu _{1}m_{A}g=0.2\times 2.0\times 10\;\rm N=4\;\rm N$

$B$与地面间的最大静摩擦力为:$f_{m}=\mu _{2}(m_{A}+m_{B})$$g=0.3\times(2.0+1.0)\times 10\;\rm N=9\;\rm N$

因为$f_{m}\gt f_{1}$,所以,$A$与挡板碰撞前,$B$静止不动,对$A$根据牛顿第二定律:$\mu _{1}m_{A}g=m_{A}a_{1}$

代入数据解得:$a_{1}=2\;\rm m/s^{2}$

根据速度—位移关系:$v_{0}^{2}-v_{1}^{2}=2a_{1}L$

代入数据解得:$v_{1}=1.5\;\rm m/s$

$A$与挡板碰撞后瞬间,$A$$B$的速度大小$v_{A}$$v_{B}$

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$0.5\\;\\rm m/s$$2\\;\\rm m/s$

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$A$与挡板碰撞,以向右为正方向,根据动量守恒定律得:$m_{A}v_{1}=m_{A}v_{A}+m_{B}v_{B}$

且机械能守恒:$\dfrac{1}{2}m_{A}v_{A}^{2}=\dfrac{1}{2}m_{A}v_{A}^{2}+\dfrac{1}{2}m_{B}v_{A}^{2}$

解二次方程得:$v_{A}=0.5\;\rm m/s$$v_{B}=2\;\rm m/s$

整个过程$B$的位移大小$x_{B}$

[["

$0.184\\;\\rm m$

"]]

碰撞后,$A$所受滑动摩擦力大小仍为:$f_{1}=\mu _{1}m_{A}g=0.2\times 2.0\times 10\;\rm N=4\;\rm N$

但方向变为水平向右,则$A$的加速度大小为:$a= \dfrac{f_{1}}{m_{A}}=\dfrac{4}{2}\;\rm m/s^{2}=2\;\rm m/s^{2}$

方向水平向右。$B$上下表面所受滑动摩擦力大小分别为:$f_{B1}=f_{1}=4\;\rm N$$f_{B2}=f_{m}=\mu _{2}(m_{A}+m_{B})g=0.3\times(2+1)\times 10\;\rm N=9\;\rm N$

方向匀水平向左,对$B$根据牛顿第二定律:$f_{B1}+f_{B2}=m_{B}a_{3}$

解得,$B$的加速度大小为:$a_{3}=13\;\rm m/s^{2}$,方向水平向左;

假设$A$$B$经时间$t$达到共速时,共速的速度大小为$v$,此时$A$仍在$B$上,则有:$v_{A}+a_{2}t=v_{B}-a_{3}t=v$

联立代入数据解得:$t=0.1\;\rm s$$v=0.7\;\rm m/s$

碰后到共速,$A$的对地位移大小为:$x_{A1}=v_{A}t+ \dfrac{1}{2}a_{2}t^{2}=0.5\times 0.1\;\rm m+ \dfrac{1}{2} \times 2 \times 0.1^{2}\;m=0.06\;m$

碰后到共速,$B$的对地位移大小为:$x_{B1}=v_{B}t-\dfrac{1}{2}a_{3}t^{2} =2\times 0.1\;\rm m-\dfrac{1}{2} \times 13 \times 0.1^{2}\;m=0.135\;m$

$A$相对$B$的位移大小为:$\Delta s=x_{B1}-x_{A1}=0.135-0.06\;{\rm m}=0.075\;{\rm m}\lt L$

所以,假设成立,即共速时,$A$还未到达右端。

假设共速后,$A$$B$发生相对滑动,共速后$A$做减速运动的加速度满足:$\mu _{1}m_{A}g=m_{A}a_{4}$

解得,$A$做减速运动的加速度大小为:$a_{4}=2\;\rm m/s^{2}$

方向水平向左;$B$减速的加速度满足:$f_{B2}-f_{B1}=m_{B}a_{5}$

解得,$B$做减速运动的加速度大小为:$a_{5}=5\;\rm m/s^{2}\gt a_{4}$

所以,假设成立,即共后$A$仍相对$B$向右减速

$A$减速为零的位移大小为:$x_{A2}= \dfrac{v^{2}}{2a_{4}}=\dfrac{0.7^{2}}{2 \times 2}\;\rm m=0.1225\;m$

$B$减速为零的位移大小为:$x_{B2}= \dfrac{v^{2}}{2a_{5}}=\dfrac{0.7^{2}}{2 \times 5}\;\rm m=0.049\;m$

该阶段$A$相对$B$向前运动的位移大小为:$\Delta s'=x_{A2}-x_{B2}$

代入数据得:$\Delta s^\prime=0.0735\;{\rm m}\lt \Delta s=0.075\;\rm m$

之后不会再次相碰,所求整个过程$B$的位移大小为:$x_{B}=x_{B1}+x_{B2}=0.135\;\rm m+0.049\;m=0.184\;m$

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