题目内容

(四川卷)25.(20分)一倾角为θ=45°的斜血固定于地面,斜面顶端离地面的高度h0=1m,斜面底端有一垂直于斜而的固定挡板。在斜面顶端自由释放一质量m=0.09kg的小物块(视为质点)。小物块与斜面之间的动摩擦因数μ=0.2。当小物块与挡板碰撞后,将以原速返回。重力加速度g=10 m/s2。在小物块与挡板的前4次碰撞过程中,挡板给予小物块的总冲量是多少?

解析:

解法一:设小物块从高为h处由静止开始沿斜面向下运动,到达斜面底端时速度为v

由功能关系得

                  ①

以沿斜面向上为动量的正方向。按动量定理,碰撞过程中挡板给小物块的冲量

                                                   ②

设碰撞后小物块所能达到的最大高度为h,则

                               ③

同理,有

                              ④

                                          ⑤

式中,v为小物块再次到达斜面底端时的速度,I为再次碰撞过程中挡板给小物块的冲量。由①②③④⑤式得

     ⑥

式中                                             ⑦

由此可知,小物块前4次与挡板碰撞所获得的冲量成等比级数,首项为

                                   ⑧

总冲量为 

                        ⑨

由                                 ⑩

得                                ⑾

代入数据得     N·s                              ⑿

解法二:设小物块从高为h处由静止开始沿斜面向下运动,小物块受到重力,斜面对它的摩擦力和支持力,小物块向下运动的加速度为a,依牛顿第二定律得

                           ①

设小物块与挡板碰撞前的速度为v,则

                                     ②

以沿斜面向上为动量的正方向。按动量定理,碰撞过程中挡板给小物块的冲量为

                               ③

由①②③式得

                                  ④

设小物块碰撞后沿斜面向上运动的加速度大小为a, 依牛顿第二定律有

                                    ⑤

小物块沿斜面向上运动的最大高度为

                                       ⑥

由②⑤⑥式得                                     ⑦

式中                                   ⑧

同理,小物块再次与挡板碰撞所获得的冲量

                          ⑨

由④⑦⑨式得                                  ⑩

由此可知,小物块前4次与挡板碰撞所获得的冲量成等比级数,首项为

                                          ⑾

总冲量为                    ⑿

由                                               ⒀

得                                  ⒁

代入数据得     N·s                             ⒂

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