题目内容
【题目】一长木板置于粗糙水平地面上,木板左端放置一小物块;在木板右方有一墙壁,木板右端与墙壁的距离为4.5 m,如图(a)所示。t=0时刻开始,小物块与木板一起以共同速度向右运动,直至t=1 s时木板与墙壁碰撞(碰撞时间极短)。碰撞前后木板速度大小不变,方向相反;运动过程中小物块始终未离开木板。已知碰撞后1 s时间内小物块的vt图线如图(b)所示。木板的质量是小物块质量的15倍,重力加速度大小g取10 m/s2。求:
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(1)木板与地面间的动摩擦因数μ1及小物块与木板间的动摩擦因数μ2;
(2)木板的最小长度;
(3)木板右端离墙壁的最终距离。
【答案】(1)μ1=0.1 μ2=0.4 (2)木板的最小长度为6.0 m (3)木板右端离墙壁的最终距离为6.5 m
【解析】
试题分析: (1)规定向右为正方向。木板与墙壁相碰前,小物块和木板一起向右做匀变速运动,设加速度为a1,小物块和木板的质量分别为m和M。由牛顿第二定律有
-μ1(m+M)g=(m+M)a1 ①
由题图(b)可知,木板与墙壁碰前瞬间的速度v1=4 m/s,由运动学公式得
v1=v0+a1t1 ②
s0=v0t1+
a1t12 ③
式中,t1=1 s,s0=4.5 m是木板碰前的位移,v0是小物块和木板开始运动时的速度。
联立①②③式和题给条件得μ1=0.1 ④
在木板与墙壁碰撞后,木板以-v1的初速度向左做匀变速运动,小物块以v1的初速度向右做匀变速运动。设小物块的加速度为a2,由牛顿第二定律有-μ2mg=ma2 ⑤
由题图(b)可得
⑥
式中,t2=2 s, v2=0,联立⑤⑥式和题给条件得
μ2=0.4 ⑦
(2)设碰撞后木板的加速度为a3,经过时间Δt,木板和小物块刚好具有共同速度v3。由牛顿第二定律及运动学公式得
μ2mg+μ1(M+m)g=Ma3 ⑧
v3=-v1+a3Δt ⑨
v3=v1+a2Δt ⑩
碰撞后至木板和小物块刚好达到共同速度的过程中,木板运动的位移为
s1=
Δt
小物块运动的位移为
s2=
Δt
小物块相对木板的位移为
Δs=s2-s1
联立⑥⑧⑨⑩式,并代入数值得
Δs=6.0 m
因为运动过程中小物块没有脱离木板,所以木板的最小长度应为6.0 m。
(3)在小物块和木板具有共同速度后,两者向左做匀变速运动直至停止,设加速度为a4,此过程中小物块和木板运动的位移为s3,由牛顿第二定律及运动学公式得
μ1(m+M)g=(m+M)a4
0-v32=2a4s3
碰后木板运动的位移为s=s1+s3
联立⑥⑧⑨⑩式,并代入数值得s=-6.5 m
木板右端离墙壁的最终距离为6.5 m。