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:

(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。

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