| 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,左端为四分之一圆弧的木板静止置于光滑水平面上,圆弧与木板水平部分相切于$B$点。在木板右端固定一轻弹簧,其自由端位于木板上$C$点正上方,将质量为$m$的小物块$P$(可视为质点)自$A$点上方高度为$R$处的某点静止释放,沿切线进入圆弧,已知长木板质量为$5m$,圆弧的半径为$R$$ BC=2R$$BC$段粗糙,与小物块间的动摩擦因数为$\mu $,其余部分均光滑。重力加速度为$g$

若将木板锁定在水平面上,求小物块到达圆弧最低点时受到木板的支持力大小$F_{\rm N}$

[["

$5mg$

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当木板固定在水平面上时,则根据动能定理$mg \times 2R=\dfrac{1}{2}mv_{0}^{2}$

物块在最低点时,所受支持力和重力的合力提供向心力$F_{\text{N}}-mg=m\dfrac{v_{0}^{2}}{R}$

解得$F_{\rm N}=5mg$

若木板未锁定,求小物块到达圆弧最低点时,小物块速度大小$v_{1}$与木板速度大小$v_{2}$

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$v_{2}=\\sqrt{\\dfrac{2gR}{15}}$$v_{1}= 5\\sqrt{\\dfrac{2gR}{15}}$,;

"]]

若木板未锁定,则木板在水平方向上动量守恒,物块在圆弧上运动时系统机械能守恒$mv_{1}=5mv_{2}$

$mg \times 2R=\dfrac{1}{2}mv_{1}^{2}+\dfrac{1}{2} \times 5mv_{2}^{2}$

解得$v_{1}=5\sqrt{\dfrac{2gR}{15}}$$v_{2}=\sqrt{\dfrac{2gR}{15}}$

求在($2$)问情况中弹簧弹性势能的最大值$E_{pm}$

[["

$2mgR(1-\\mu )$

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木板和物块动量守恒,当木板和物块共速时,弹簧弹性势能的最大,取向左为正方向$5mv_{2} − mv_{1}=6mv$

根据能量守恒$mg \times 2R=\mu mg \times 2R+\dfrac{1}{2} \times 6mv^{2}+E_{\text{p}}$

解得$E_{\rm p}=2mgR(1-\mu )$

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如图所示,质量为,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的物块,在长木板的右端距离木板处有一个与长木板等高的台阶,物块与木板、台阶的动摩擦因数为,某时刻对木板施加水平向右,大小的恒定拉力,作用后撤去,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,设最大静摩擦力等于滑动摩擦力。试求: 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,其质量为,水平长度为。可视为质点、质量为的物块以水平向右的速度从左端冲上木板。已知:、间的动摩擦因数为,与地面间的动摩擦因数为,设最大静摩擦力等于滑动摩擦力,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。求: 如图所示为一款游戏装置的示意图。由固定的竖直轨道和水平轨道两部分组成。竖直轨道为倾角长的粗糙斜面,水平轨道由长的直轨道和两个半径为的半圆轨道组成,半圆轨道的外侧均有光滑的圆弧挡板(图中未画出)。竖直轨道和水平轨道通过直轨道连接,所有轨道相互平滑连接。和之间的地面光滑,靠近处放置与轨道等高、长度为、质量为的长木板。现将质量、可视为质点的小滑块从点以速度水平抛出,恰好沿切线方向进入斜面,并进入水平轨道,调节半圆轨道的半径的大小,使滑块最终停在长木板上。已知滑块与斜面的动摩擦因数,与长木块上表面的动摩擦因数,其余阻力均忽略不计,长木板与和处的固定桩相碰后以原速率反弹,且碰撞时间极短,重力加速度取,求: 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。 某娱乐活动的部分闯关环节可简化抽象为下面的情景。如图所示,长、质量的木板静止在光滑水平面上,左右平台无限长且与木板等高,木板左端与左平台接触,质量的小滑块在恒力作用下从静止开始运动,力与水平方向的夹角为,作用后撤去,小滑块又滑行后以的速度离开平台后滑上木板,小滑块与所有接触面间的动摩擦因数均为,小滑块可视为质点,重力加速度取。已知,。求: 如图,质量为、足够长的长木板静止在光滑水平地面上,在距长木板右端距离为处有一固定挡板,质量为的小滑块从长木板的左端以大小为的初速度滑上长木板,物块与长木板间的动摩擦因数为,木板与挡板的碰撞过程中没有机械能损失且碰撞时间极短可忽略不计,取。求:
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