题目内容

11.如图所示,AOB是水平轨道,BC是固定在竖直面内半径为R的$\frac{1}{4}$圆弧轨道,两轨道表面均光滑,且恰好相切于B点.质量为M的小木块原来静止在O点,一颗质量为m的子弹以某一初速度水平向右射入小木块内,并留在其中和小木块一起运动,且恰能到达圆弧轨道的最高点C(木块和子弹均看成质点).若每当小木块返回到O点或停止在O点时,立即有一颗相同的子弹以相同的初速度射入小木块,并留在其中,则当第3颗子弹射入小木块后,小木块沿圆弧轨道能上升的最大高度为多少?

分析 子弹射入木块的过程中水平方向受到的合外力等于0,由动量守恒定律与机械能守恒定律可以求出初速度;由动量守恒定律与机械能守恒定律求出最大高度.

解答 解:B到C的过程中,根据机械能守恒定律得:
$\frac{1}{2}(M+m){v}^{2}=(M+m)gR$,
解得:v=$\sqrt{2gR}$,
子弹射入木块的过程中,对子弹和木块组成的系统研究,规定向右为正方向,根据动量守恒得:
mv0=(M+m)v,
解得:${v}_{0}=\frac{(M+m)\sqrt{2gR}}{m}$.
由动量守恒定律可知,第2颗子弹射入木块后,木块的速度为0,
第3颗子弹射入后,木块运动.当第3颗子弹射入木块时,以子弹初速度方向为正方向,由动量守恒定律得:
mv0=(3m+M)v3,
设此后木块沿圆弧上升的最大高度为H,由机械能守恒得:
$\frac{1}{2}(3m+M){{v}_{3}}^{2}=(3m+M)gH$
由以上各式可得:H=${(\frac{M+m}{M+3m})}^{2}R$.
答:木块沿圆弧轨道能上升的最大高度为${(\frac{M+m}{M+3m})}^{2}R$.

点评 本题考查了求速度与木块上升的高度问题,分析清楚物体运动过程、应用动量守恒定律与机械能守恒定律即可正确解题.

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