题目内容

5.利用如图所示的方式验证碰撞中的动量守恒,竖直平面内的四分之一光滑圆弧轨道下端与水平桌面相切,先将小滑块A从圆弧轨道的最高点无初速度释放,测量出滑块在水平桌面滑行的距离x1(图甲);然后将小滑块B放在圆弧轨道的最低点,再将A从圆弧轨道的最高点无初速度释放,A与B碰撞后结合为一个整体,测量出整体沿桌面滑动的距离x2(图乙).圆弧轨道的半径为R,A和B完全相同,重力加速度为g.
(1)滑块A运动到圆弧轨道最低点时的速度v=$\sqrt{2gR}$(用R和g表示);
(2)滑块与桌面的动摩擦因数μ=$\frac{R}{x_{1}}$(用R和x1表示);
(3)若x1和x2的比值$\frac{{x}_{1}}{{x}_{2}}$=4,则验证了A和B的碰撞动量守恒.

分析 (1)根据A在运动过程中的机械能守恒定律列式即可求得最低点的速度;
(2)对A下滑的全过程由动能定理可求得动摩擦因数;
(3)假设碰撞中动量守恒,根据动量守恒定律以及功能关系列式即可求得碰后滑行的距离,从而求出两种情况下的位移表达式,从而确定距离的比值,找出碰撞中动量守恒的依据.

解答 解:(1)A在圆弧面上运动时机械能守恒,则有:
mgR=$\frac{1}{2}}$mv2
解得:v=$\sqrt{2gR}$;
(2)对A下滑的全过程由动能定理要分析可知:
mgR-μmgx1=0
解得:μ=$\frac{R}{x_{1}}$;
(3)如果碰撞中动量守恒,则有:
mv=2mv'
再对碰后的AB物体分析,由动能定理可知:
$\frac{1}{2}}$mv'2=μ•2mgx2
则x2=$\frac{{v}^{2}{x}_{1}}{8R}$
故$\frac{{x}_{1}}{{x}_{2}}$=4;
因此只要满足$\frac{{x}_{1}}{{x}_{2}}$=4即可证明动量守恒.
故答案为:(1)$\sqrt{2gR}$;(2)$\frac{R}{x_{1}}$;(3)4.

点评 本题考查动量守恒定律以及功能关系的应用,要注意明确实验原理,知道实验中如何验证动量守恒定律,明确机械能守恒定律以及动量守恒定律的正确应用.

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