题目内容

1.如图所示,质量为2m的木板A静止在光滑水平面上,其左端与固定台阶相距S,长木板的右端固定一半径为R光滑的四分之一圆弧,圆弧的下端与木板水平相切但不相连.质量为m的滑块B(可视为质点)以初速度v0=$\sqrt{2gR}$从圆弧的顶端沿圆弧下滑,当B到达最低点时,B从A右端的上表面水平滑入(滑入后将右侧四分之一圆弧撤去).A与台阶碰撞无机械能损失,不计空气阻力,A、B之间动摩擦因数为μ,A足够长,B不会从A表面滑出;重力加速度为g.试分析下列问题:

(1)滑块B到圆弧底端时的速度大小v1;
(2)A与台阶只发生一次碰撞,求S满足的条件;
(3)S在满足(2)条件下,讨论A与台阶碰撞前瞬间B的速度.

分析 (1)滑块下滑时只有重力做功,根据机械能守恒求得滑块到达底端时的速度;
(2)木板与台阶碰撞后,滑块与木板组成的系统总动量水平向右,则只发生一次碰撞,根据动量守恒和动能定理分析求解;
(3)A与台阶只发生一次碰撞,根据动能定理和动量守恒,分A与滑块是共速之前碰撞和A与滑块共速之后碰撞分析求解.

解答 解:(1)滑块B从释放到最低点,机械能守恒,取水平面为零势面,由机械能守恒定律得:
$\frac{1}{2}m{v}_{0}^{2}+mgR=\frac{1}{2}m{v}_{1}^{2}$     ①
由①解得:${v}_{1}=2\sqrt{gR}$              ②
(2)设A与台阶碰撞前瞬间,A、B的速度分别为vA和vB,由动量守恒定律得:
mv1=mvB+2mvA                   ③
若A与台阶只碰撞一次,碰撞后必须满足:|2mvA|≥|mvB|④
对A应用动能定理:$μmgS=\frac{1}{2}×2m{v}_{A}^{2}$              ⑤
联立③④⑤解得:$s≥\frac{R}{4μ}$                  ⑥
即A与台阶只能碰撞一次的条件是:$s≥\frac{R}{4μ}$
(3)设S=S0时,A左端到台阶板前瞬间,A、B恰好达到共同速度vAB,由动量守定律得:
mv1=(m+2m)vAB         ⑦
对A应用动能定理:$μmg{S}_{0}=\frac{1}{2}×2m{v}_{AB}^{2}$      ⑧
联立⑦⑧得:${s}_{0}=\frac{4R}{9μ}$
讨论:(i)当s≥s0即s$≥\frac{4R}{9μ}$时,AB共速后A才与挡板碰撞.
由⑦式可得A与台阶碰撞前瞬间的A、B的共同速度为:${v}_{AB}=\frac{{v}_{1}}{3}=\frac{2\sqrt{gR}}{3}$
即A与台阶碰撞前瞬间B的速度为:${v}_{B}={v}_{AB}=\frac{{v}_{1}}{3}$=$\frac{2\sqrt{gR}}{3}$
(ii)当${s}_{0}>s≥\frac{R}{4μ}$即$\frac{4R}{9μ}>s≥\frac{R}{4μ}$时,AB共速前A就与台阶碰撞,对A应用动能定理有:$μmgs=\frac{1}{2}×2m{v}_{A2}^{2}$
由上式解得A与台阶碰撞前瞬间的速度:${v}_{A2}=\sqrt{μgs}$
设此时B的速度为vB′,由动量守恒定律得:mv1=2mvA2+mvB′
由解得vB′=$2\sqrt{g}(\sqrt{R}-\sqrt{μs})$
答:(1)滑块B到圆弧底端时的速度大小v1为$2\sqrt{gR}$;
(2)A与台阶只发生一次碰撞,S满足的条件为$s≥\frac{R}{4μ}$;
(3)S在满足(2)条件下,A与台阶碰撞前瞬间B的速度为$\frac{2\sqrt{gR}}{3}$或$2\sqrt{g}(\sqrt{R}-\sqrt{μs})$.

点评 本题木块在小车上滑动的类型,分析物体的运动过程,对于系统运用动量守恒列方程,对于单个物体运用动能定理列式求解位移,都是常用的思路,要加强这方面的练习,提高解决综合问题的能力.

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