题目内容

4.如图所示,固定的凹槽水平表面光滑,其内放置U形滑板N,滑板两端为半径R=0.20m的$\frac{1}{4}$圆弧面,A和D分别是圆弧的端点,BC段表面粗糙,其余段表面光滑.小滑块P1和P2的质量均为m.滑板的质量M=4m,P1和P2与BC面的动摩擦因数分别为μ1=0.20和μ2=0.50,最大静摩擦力近似等于滑动摩擦力.开始时滑板紧靠槽的左端,P2静止在粗糙面的B点,P1以v0=2$\sqrt{3}$m/s的初速度从A点沿弧面自由滑下,与P2发生弹性碰撞后,P1处在粗糙面B点上.当P2滑到C点时,滑板恰好与槽的右端碰撞并与槽牢固粘连,P2继续运动,到达D点时速度为零.P1与P2视为质点,取g=10m/s2.问:
(1)P2在BC段向右滑动时,滑板的加速度为多大?
(2)BC长度为多少?N、P1和P2最终静止后,P1与P2间的距离为多少?

分析 (1)由机械能守恒可求得p1与P2碰前的速度,由动量守恒和机械能守恒可求得碰后两物体的速度;由牛顿第二定律可求得p2的加速度,因p1的运动状态不确定,先假设其静止再进行验证;
(2)由机械能守恒对CD分析可得出P2滑到C点速度;对三个滑板N、P1、及P2在相碰到P2滑到C点这一过程中,由动量守恒可求得滑块及P1的速度;则对整体由功能关系可求得BC长度L;而碰后两物体均要运动,最后静止,由动力学知识可求得两物体的位移,则可求得两物体相距的距离.

解答 解:(1)P1滑到最低点速度为v1,由机械能守恒定律有:
$\frac{1}{2}$mv02+mgR=mv12,
代入数据解得:v1=4m/s,
P1、P2碰撞,满足动量守恒,机械能守恒定律,设碰后速度分别为v′1、v2,以向右为正方向,由动量守恒和机械能守恒可得:
mv1=mv′1+mv2,$\frac{1}{2}$mv12=$\frac{1}{2}$mv′12+$\frac{1}{2}$mv′22,
解得:v′1=0、v2=4m/s,
P2向右滑动时,假设P1保持不动,对P2有:f2=μ2mg=5m(向左)对P1、M有:f2=(m+M)a2 ,
代入数据解得:a2 =1m/s2,
此时对P1有:f1=ma2=m<fm=μ1mg=2m,所以假设成立.
故滑块的加速度为1m/s2;
(2)P2滑到C点速度为v2′,由mgR=$\frac{1}{2}$mv′22,
代入数据解得:v′2=2m/s,
P1、P2碰撞到P2滑到C点时,设P1、M速度为v,以向右为正方向,由动量守恒定律得:
mv2=(m+M)v+mv′2,
代入数据解得:v=0.40m/s,
对P1、P2、M为系统:f2L=$\frac{1}{2}$mv22-$\frac{1}{2}$mv′22-$\frac{1}{2}$(m+M)v2
代入数值得:L=1.12m,
滑板碰后,P1向右滑行距离:s1=$\frac{{v}^{2}}{2{a}_{1}}$=$\frac{{v}^{2}}{2{μ}_{1}g}$=0.04m,
P2向左滑行距离:s2=$\frac{v{′}_{2}^{2}}{2{a}_{2}}$=$\frac{v{′}_{2}^{2}}{2{μ}_{2}g}$=0.4m,
所以P1、P2静止后距离:△S=L-S1-S2=0.68m;
答:(1)P2在BC段向右滑动时,滑板的加速度为1m/s2;
(2)BC长度为多少?N、P1和P2最终静止后,P1与P2间的距离为为0.68m.

点评 本题为动量守恒定律及能量关系结合的综合题目,难度较大;要求学生能正确分析过程,并能灵活应用功能关系;合理地选择研究对象及过程;对学生要求较高.
不过随着全国新课改的展开,动量作为了选修内容,故此类题目将在新课标的考试中不再出现.

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