| 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,质量为$M=15\;\rm kg$,足够长的木板静止在光滑的水平地面上,在长木板右侧有质量为$m=5\;\rm kg$的物块,在长木板的右端距离木板$s=53.125\;\rm m$处有一个与长木板等高的台阶$P$,物块与木板、台阶$P$的动摩擦因数为$\mu =0.5$,某时刻对木板施加水平向右,大小$F=250\;\rm N$的恒定拉力,$F$作用$1\;\rm s$后撤去,之后木板经过一段时间与台阶碰撞,碰后木板立刻停止运动,重力加速度$g=10\;\rm m/s^{2}$,设最大静摩擦力等于滑动摩擦力。试求:

木板与台阶碰前向右运动的时间$t$

[["

$4.5\\;\\rm s$

"]]

对物块,静摩擦力提供的最大加速度$a_{1}$,由牛顿第二定律得$\mu mg=ma_{1}$

$a_{1}=5\;\rm m/s^{2}$

假如物块与木板之间不打滑,对物块和木板整体$F=(M+m)a$

$a=\dfrac{F}{M+m}=12.5\;\rm \text{m}/\text{s}^{2} \gt a_{1}$

物块与木板发生相对滑动。

木板向右加速过程:对木板$F − \mu mg=Ma_{2}$

$a_{2}=15\;\rm m/s^{2}$

$v_{2}=a_{2}t_{1}=15\;\rm m/s$

$x_{2}=\dfrac{1}{2}a_{2}t_{1}^{2}=7.5\;\rm \text{m}$

撤掉拉力$F$后,假设木板与台阶碰撞前能达到与物块共速,

对木板,由牛顿第二定律$\mu mg=Ma_{3}$

$a_{3}=\dfrac{5}{3}\;\rm {m}/\text{s}^{2}$

$v=v_{2} − a_{3}t_{2}$

$x_{3}=v_{2}t_{2}-\dfrac{1}{2}a_{3}t_{2}^{2}$

对物块$v=a_{1}(t_{1}+t_{2})$

联立得

$t_{2}=1.5\;\rm s$$v=12.5\;\rm m/s$$x_{3}=20.625\;\rm m$

因为$x_{3} \lt s − x_{2}=45.625\;\rm m$

物块与木板先达到共速之后一起匀速直到与台阶碰撞$s − x_{2} − x_{3}=vt_{3}$

解得$t_{3}=2\;\rm s$

木板与台阶碰前向右运动的时间$t=t_{1}+t_{2}+t_{3}=4.5\;\rm s$

判断物块是否能滑离木板?并求物块与木板之间的相对路程。

[["

能滑离木板,$28.125\\;\\rm m$

"]]

在木板匀速之前,对物块$x_{1}=\dfrac{1}{2}a_{1}\left( t_{1}+t_{2} \right)^{2}=15.625\;\rm \text{m}$

物块相对于木板向左移动的距离为$\Delta x=x_{2}+x_{3} − x_{1}=12.5\;\rm m$

木板停止运动后,假设物块始终在木板上,则物块向右减速到零的过程中:$0 − v^{2}=-2a_{1}x_{4}$

$x_{4}=15.625\;\rm m$

因为$\Delta x \lt x_{4}$

所以,物块将从木板右端滑离木板。物块相对于木板的路程$s=\Delta x+x_{4}=28.125\;\rm m$

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