题目内容

11.航母舰载机的弹射装置是制约我国航母发展的技术瓶颈.为了解决这一难题,某中学课外活动小组对此进行了一系列的研究.他们把航母的弹射装置及飞机在航母上的起飞过程,简化为一个如下的中学物理模型:

(1)如图所示,在一块固定在水平地面上的粗糙木板(等效于航母静止)左端A处,水平拴接一根轻弹簧,弹簧处于自然长度时,其右端点在木板上的O点.先压缩弹簧至木板上的B点,其弹簧的压缩量记为x1,然后,将一个质量为m的小物体,紧靠弹簧的右端点放置而不与弹簧拴接在一起.通过释放这根被压缩的弹簧,小物体到达O点后可获得一个“弹射速度”,小物体从此脱离弹簧,系统同时自动生成一个水平向右的恒力F(等效于舰载机滑行时的牵引力),继续给小物体P加速.又通过位移x2 (等效于舰载机在甲板上的滑行距离)后,可使小物体获得一个理想的“起飞速度”v.已知小物体与木板之间的动摩擦因数为μ,当地重力加速度为g. 求弹簧压缩至B点时所具有的弹性势能Ep;
(2)若拆除弹簧,并使木板以速度u向右做匀速直线运动,小物体仍在恒力F作用下,相对于木板从静止开始加速(等效于舰载机的滑跃式起飞),试求小物体在木板上,相对于木板的滑行距离仍为x2(此时小物块木脱离木板)时,所获得的最终速度.

分析 (1)由能量守恒定律求物块在B点时弹簧所具有的弹性势能;
(2)根据牛顿第二定律及运动学公式求物块最终速度;

解答 解:(1)对物块从静止到达到速度v的过程,由能的转化与守恒定律得:
${E}_{p}^{\;}+F{x}_{2}^{\;}-μmg({x}_{1}^{\;}+{x}_{2}^{\;})=\frac{1}{2}m{v}_{\;}^{2}$
则物块在B点时弹簧所具有的弹性势能:
${E}_{p}^{\;}=\frac{1}{2}m{v}_{\;}^{2}+μmg({x}_{1}^{\;}+{x}_{2}^{\;})-F{x}_{2}^{\;}$
(2)对物块由牛顿第二定律:
F-μmg=ma
以木板为参考系,设物块最终相对于木板速度为v′,由匀变速运动规律
$v{′}_{\;}^{2}=2a{x}_{2}^{\;}$
所以$v′=\sqrt{\frac{2(F-μmg){x}_{2}^{\;}}{m}}$
物块最终速度:
${v}_{1}^{\;}=u+\sqrt{\frac{2(F-μmg){x}_{2}^{\;}}{m}}$
答:(1)弹簧压缩至B点时所具有的弹性势能$\frac{1}{2}m{v}_{\;}^{2}+μmg({x}_{1}^{\;}+{x}_{2}^{\;})-F{x}_{2}^{\;}$;
(2)小物体在木板上,相对于木板的滑行距离仍为x2(此时小物块木脱离木板)时,所获得的最终速度$u+\sqrt{\frac{2(F-μmg){x}_{2}^{\;}}{m}}$

点评 本题考查分析和解决复杂物理问题的能力,要求较高,涉及的知识点非常多,没有扎实的功底很难得全分.

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