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4.如图所示,质量为 M=4.0kg 物体 C 放在水平面上,其上有光滑的四分之一圆弧轨道,轨道半径 R=0.3m,轨道下端与水平面相切.质量为 mA=2.0kg 的小滑块 A 从与圆心等高处由静止释放,滑动到 Q 处与质量为 mB=4.0kg、处于静止状态的小滑块 B 发生弹性碰撞.已知水平面上 Q 点左侧光滑,Q 点右侧粗糙,且与小滑块 A、B 的动摩擦因数均为μ=0.1,小滑块均可视为质点,取 g=10m/s2.求:

①滑块 A 刚滑到水平面上时,C 物体的位移大小;
②滑块 A 刚滑到水平面上时的速率;
③AB碰撞后,当B停下来时,AB之间的距离.

分析 ①A在圆弧轨道上下滑时,系统水平方向上不受外力,所以小滑块下滑过程中,小滑块与C组成的系统水平方向上动量守恒,规定向右为正方向,根据动量守恒定律求
解.
②根据动量守恒定律和机械能守恒定律结合求滑块 A 刚滑到水平面上时的速率.
③对于AB碰撞过程,根据动量守恒定律和机械能守恒定律求出碰后两者的速度.根据牛顿第二定律和运动学公式结合求出B滑行的距离和时间,再求解当B停下来时,AB之间的距离.

解答 解:①、②小滑块在下滑过程中,小滑块与C组成的系统水平方向上动量守恒,规定水平向右为正方向.
由动量守恒定律得:0=mAv1+Mv2,
由机械能守恒定律得:mAgR=$\frac{1}{2}$mAv12+$\frac{1}{2}$Mv22,
代入数据解得:滑块 A 刚滑到水平面上时,A、C的速度分别为 v1=2m/s  v2=-1m/s
滑块在水平方向上相对于C运动的位移为△x=R=0.3m,
滑块下滑过程中,小滑块与C组成的系统水平方向上动量总是守恒的,则滑块水平方向的速度总是M的两倍,时间相等,
则$\frac{{x}_{1}}{{x}_{2}}$=$\frac{{v}_{1}}{{v}_{2}}$=2,且x1+x2=0.3m,则x2=0.1m
即滑块A刚滑到水平面上时,C物体的位移大小为0.1m.
③AB碰撞过程,取水平向右为正方向,由动量守恒定律得:
  mAv1=mAvA+mBvB,
由机械能守恒定律得:$\frac{1}{2}$mAv12=$\frac{1}{2}$mAvA2+$\frac{1}{2}$mBvB2,
联立解得:碰后A、B的速度分别为 vA=-$\frac{2}{3}$m/s,vB=$\frac{4}{3}$m/s
碰后B在粗糙水平面滑动时的加速度大小为 a=$\frac{μ{m}_{B}g}{{m}_{B}}$=μg=0.1×10=1m/s2.
B滑行到停止的时间 t=$\frac{{v}_{B}}{a}$=$\frac{\frac{4}{3}}{1}$=$\frac{4}{3}$s,滑行距离 xB=$\frac{{v}_{B}}{2}t$=$\frac{\frac{4}{3}}{2}$×$\frac{4}{3}$=$\frac{8}{9}$m
此过程中A向左滑行的距离 xA=|vA|t=$\frac{2}{3}$×$\frac{4}{3}$=$\frac{8}{9}$m
所以AB碰撞后,当B停下来时,AB之间的距离为 S=xA+xB=$\frac{8}{9}$m+$\frac{8}{9}$m=$\frac{16}{9}$m
答:
①滑块 A 刚滑到水平面上时,C 物体的位移大小是0.1m;
②滑块 A 刚滑到水平面上时的速率是2m/s;
③AB碰撞后,当B停下来时,AB之间的距离是$\frac{16}{9}$m.

点评 本题是系统水平方向动量守恒和能量守恒的问题,应用动量守恒时一定要注意规定正方向,碰撞后B向右做匀减速直线运动,也可以根据动能定理求滑行的距离.

练习册系列答案
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16.图甲所示为验证机械能守恒定律的实验装置,某同学完成了一系列实验操作后,得到了如图乙所示的一条纸带.现选取纸带上某清晰的点标为0,然后每两个计时点取一个计数点,分别标记为1、2、3、4、5、6,用刻度尺量出计数点l、2、3、4、5、6与0点的距离分别为h1、h2、h3、h4、h5、h6.(重力加速度为g)
(1)已知打点计时器的打点周期为T,可求出打各个计数点时对应的速度分别为v1、v2、v3、v4、v5,其中v5的计算式v5=$\frac{{h}_{6}-{h}_{4}}{4T}$.

(2)若重锤的质量为m,取打点0时重锤所在水平面为参考平面,分别算出打各个计数点时对应重锤的势能Epi和动能Eki,则打计数点3时对应重锤的势能Ep3=-mgh3 (用题中所给物理量的符号表示);接着在E-h坐标系中描点作出如图丙所示的Ek-h和Ep-h图线,求得Ep-h图线斜率的绝对值为k1,Ek-h图线的斜率为k2,则在误差允许的范围内,k1=k2(填“>”、“<”或“=”)时重锤的机械能守恒.
(3)关于上述实验,下列说法中正确的是BD
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C.实验时应先释放纸带后接通电源
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(4)无论如何改进实验方法和措施,总有重力势能的改变量大于动能的改变量,原因是:重锤下落过程中纸带和重锤受到阻力作用.

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