高中 | 牛顿第二定律的两类基本问题 题目答案及解析

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必修1

第四章 牛顿运动定律

4.6 用牛顿运动定律解决问题(一)

牛顿第二定律的两类基本问题

如图所示,在倾角$\theta=37^\circ $的斜面上放置一个凹槽,槽与斜面间的动摩擦因数$\mu=\dfrac{3}{8}$,槽与斜面间的最大静摩擦力可认为等于滑动摩擦力,把一小球放在凹槽上的$A$点处,$A$点到凹槽侧壁$B$处的距离$d=0.12\;\rm m$。现同时由静止释放球和槽,不计球与槽之间的摩擦,斜面足够长,且球与槽的侧壁发生碰撞时碰撞时间极短,系统不损失机械能,球和槽的质量相等,取重力加速度$g=10\;\rm m/s^{2}$$\sin 37^\circ =0.6$$\cos 37^\circ =0.8$。求:

由静止释放球和槽后,经多长时间球与槽的侧壁发生第一次碰撞;

[["

$0.2\\;\\rm s$

"]]

对小球根据牛顿第二定律可得$mg\sin37^\circ=ma_{1}$

解得$a_{1}=6\;\rm m/s^{2}$

对槽根据牛顿第二定律可得$mg\sin37^\circ-\mu \cdot 2mg\cos37^\circ=ma_{2}$

解得$a_{2}=0$

根据$d=\dfrac{1}{2}a_{1}{t_{1}}^{2}$

解得$t_{1}=0.2\;\rm s$

第一次碰撞后的瞬间,球和槽的速度;

[["

$0$$1.2\\;\\rm m/s$

"]]

对小球运用运动学公式可得$v^{2}=2a_{1}d$

解得$v=1.2\;\rm m/s$

取沿斜面向下为正方向,根据动量守恒定律可得$mv=mv_{1}+mv_{2}$

根据机械能守恒定律可得$\dfrac{1}{2}mv^{2}=\dfrac{1}{2}m{v_{1}}^{2}+\dfrac{1}{2}m{v_{2}}^{2}$

联立解得小球与槽的侧壁发生第$1$次碰撞后的瞬间,小球和槽的速度大小分别为$v_{1}=0$$v_{2}=$$1.2\;\rm m/s$

小球第$n$次到达凹槽侧壁所用的时间$t_{n}$

[["

$(0.4n-0.2)\\;{\\rm s}(n=1,2,3\\cdots)$

"]]

小球第一次与槽碰撞经过的时间为$t_{1}$,第一次碰撞后再次与槽碰撞经过的时间为$t_{2}'$,第一次碰撞后槽匀速运动且速度为$v_{2}=1.2\;\rm m/s$,小球匀加速且加速度仍为$a_{1}$,故有$v_{2}{t_{2}'}=\dfrac{1}{2}a_{1}t_{2}'^{2}$

解得$t_{2}'=0.4\;\rm s$

故从小球开始运动至与槽的侧壁发生第$2$次碰撞所需的时间为

$t_{2}=t_{1}+t_{2}'=0.2\;\rm s+0.4\;\rm s=0.6\;\rm s$

第二次碰前小球和槽的速度分别为$2.4\;\rm m/s$$1.2\;\rm m/s$,碰后两者再次交换速度,即槽的速度为$v_{2}'=2.4\;\rm m/s$,球的速度为$v_{1}'=1.2\;\rm m/s$,碰后第四次碰撞经过的时间为$t_{3}$,则$v_{2}'{t_{3}'}={v_{1}'}{t_{3}'}+\dfrac{1}{2}a_{1}t_{3}'^{2}$

解得$t_{3}'=0.4\;\rm s$

故从小球开始运动至与槽的侧壁发生第$3$次碰撞所需的时间为

$t_{3}=t_{1}+t_{2}+t_{3}=0.2\;\rm s+0.4\;\rm s+0.4\;\rm s=1.0\;\rm s$

则以此类推,当小球第$n$次到达凹槽侧壁所用的时间为

$t_{n}=0.2\;{\rm s}+(n-1)\times 0.4\;{\rm s}=(0.4n-0.2)\;{\rm s}(n=1,2,3\cdots)$

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