题目内容

如图所示,一辆质量为1.5kg的小车静止在光滑水平面上,一个质量为0.50kg的木块,以2.0m/s的速度水平滑上小车,最后与小车以相同的速度运动.小车上表面水平,木块与车上表面的动摩擦因数是0.20.g取10m/s2,求
(1)木块与小车共同运动的速度的大小;
(2)木块在小车上相对滑行的时间;
(3)设小车与光滑水平面足够长,若水平面右端也有一高度与左端一样的平台,且小车与两边平台碰撞过程中均没有能量损失,求从木块滑上小车开始到木块与小车第n共同运动的时间及木块在小车上滑行的路程.
分析:(1)根据运动过程中动量守恒即可求解;
(2)根据动量定理即可求解;
(3)分M与m的大小关系分两种情况进行讨论,根据动量守恒定律及动能定理求出滑动路程的通项,根据动量定理求出时间的通项,再结合数学知识即可求解.
解答:解:(1)根据运动过程中动量守恒得:
mv0=(M+m)v1
解得:v1=
m
M+m
v0
=0.5m/s
(2)根据动量定理得:
μmgt=Mv1-0
t1=
Mv0
(M+m)μg
=0.75s
(3)若M>m,从第一次木板以v1反弹开始,有
Mv1-mv1=(M+m)v2
Mv2-mv2=(M+m)v3…
Mvn-1-mvn-1=(M+m)vn
解得:
v2=
M-m
M+m
v
1

v3=
M-m
M+m
v
2

…
vn=
M-m
M+m
v
n-1
=(
M-m
M+m
)
n-1
m
M+m
v
0

根据动能定理得:
μmgx1=
1
2
mv02-
1
2
(M+m)v12

μmgx2=
1
2
mv12-
1
2
(M+m)v22

…
μmgxn=
1
2
mvn2-
1
2
(M+m)vn-12

解得:
x1=
M
2μg(M+m)
v
0
2

x2=
2M
μg(M+m)
v
1
2

x3=
2M
μg(M+m)
v
2
2
=
2M
μg(M+m)
(
M-m
M+m
)
2
v
1
2


xn=
2M
μg(M+m)
v
n-1
2
=
2M
μg(M+m)
(
M-m
M+m
)
2(n-2)
v
1
2


x2,x3,x4,…xn是一个首项为
2M
μg(M+m)
v
2
1

公比为(
M-m
M+m
)
2
的等比数列,共有n-1项
Sn=x1+
2M
μg(M+m)
v
2
1
n
n=2
(
M-m
M+m
)
2(n-2)

=x1+
2M
μg(M+m)
v
2
1
?
1-(
M-m
M+m
)
2(n-1)
1-(
M-m
M+m
)
2

=
M
2μg(M+m)
v
2
0
+
2M
μg(M+m)
v
2
1
?
1-(
M-m
M+m
)
2(n-1)
1-(
M-m
M+m
)
2

=
M
2μg(M+m)
v
2
0
+
2M
μg(M+m)
?(
m
M+m
)
2
v
2
0
?
1-(
M-m
M+m
)
2(n-1)
1-(
M-m
M+m
)
2

=
M
v
2
0
2μg(M+m)
+
m
v
2
0
2μg(M+m)
?[1-(
M-m
M+m
)
2(n-1)
]

在板上滑行的时间(不包含从共速至与平台碰撞的时间)
-μmgt2=Mv2-Mv1
-μmgt3=Mv3-Mv2…
-μmgtn=Mvn-Mvn-1
t2=
2M
μg(M+m)
v
1

t3=
2M
μg(M+m)
v
2
=
2M
μg(M+m)
 
?
M-m
M+m
v
1

tn=
2M
μg(M+m)
v
n-1
=tn=
2M
μg(M+m)
 
?(
M-m
M+m
)
n-2
v
1


t2,t3,t4,…tn是一个首项为
2M
μg(M+m)
v1
公比为 (
M-m
M+m
)
的等比数列,共有n-1项
tn=t1+
2M
μg(M+m)
v1
n
n=2
(
M-m
M+m
)
n-2
=t1+
2M
μg(M+m)
v1?
1-(
M-m
M+m
)
(n-1)
1-(
M-m
M+m
)

=
Mv0
(M+m)μg
+
2M
μg(M+m)
v1?
1-(
M-m
M+m
)
(n-1)
1-(
M-m
M+m
)

=
Mv0
(M+m)μg
+
2M
μg(M+m)
?
m
M+m
v0?
1-(
M-m
M+m
)
(n-1)
1-(
M-m
M+m
)

=
Mv0
μg(M+m)
?[2-(
M-m
M+m
)
(n-1)
]

同理可得:若M<m,
x2,x3,x4,…xn是一个首项为
2M
μg(M+m)
v
2
1

公比为(
m-M
m+M
)
2
的等比数列,
共有n-1项
Sn=x1+
2M
μg(M+m)
v
2
1
n
n=2
(
m-M
m+M
)
2(n-2)

=x1+
2M
μg(M+m)
v
2
1
n
n=2
(
m-M
m+M
)
2(n-2)

=
M
2μg(M+m)
v
2
0
+
2M
μg(M+m)
v
2
1
?
1-(
m-M
m+M
)
2(n-1)
1-(
m-M
m+M
)
2

=
M
2μg(M+m)
v
2
0
+
2M
μg(M+m)
?(
m
M+m
)
2
v
2
0
?
1-(
m-M
m+M
)
2(n-1)
1-(
m-M
m+M
)
2

=
M
v
2
0
2μg(M+m)
+
m
v
2
0
2μg(M+m)
?[1-(
m-M
m+M
)
2(n-1)
]

在板上滑行的时间(不包含从共速至与平台碰撞的时间)
-μmgt2=mv2-mv1
-μmgt3=mv3-mv2
…
-μmgtn=mvn-mvn-1
t2=
2m
μg(m+M)
 
v1
t2=
2m
μg(m+M)
 
v
2
=
2m
μg(m+M)
 
?
m-M
m+M
v1
所以tn=
2m
μg(m+M)
 
v
n-1
=
2m
μg(m+M)
 
?(
m-M
m+M
)
n-2
v1

t2,t3,t4,…tn是一个首项为
2m
μg(m+M)
v1
,公比为 (
m-M
m+M
)
的等比数列,共有n-1项
tn=t1+
2m
μg(m+M)
v1
n
n=2
(
m-M
m+M
)
n-2
=t1+
2m
μg(m+M)
v1?
1-(
m-M
m+M
)
(n-1)
1-(
m-M
m+M
)

=
Mv0
(M+m)μg
+
2m
μg(m+M)
v1?
1-(
m-M
m+M
)
(n-1)
1-(
m-M
m+M
)

=
Mv0
(M+m)μg
+
2m
μg(m+M)
?
m
M+m
v0?
1-(
m-M
m+M
)
(n-1)
1-(
m-M
m+M
)

=
Mv0
(M+m)μg
+
m2v0
μgM(m+M)
?[1-(
m-M
m+M
)
(n-1)
]
.
答:(1)木块与小车共同运动的速度的大小为0.5m/s;
(2)木块在小车上相对滑行的时间为0.75s;
(3)从木块滑上小车开始到木块与小车第n共同运动的时间为
Mv0
μg(M+m)
?[2-(
M-m
M+m
)
(n-1)
]
或
Mv0
(M+m)μg
+
m2v0
μgM(m+M)
?[1-(
m-M
m+M
)
(n-1)
]
,木块在小车上滑行的路程为
M
v
2
0
2μg(M+m)
+
m
v
2
0
2μg(M+m)
?[1-(
M-m
M+m
)
2(n-1)
]
或
M
v
2
0
2μg(M+m)
+
m
v
2
0
2μg(M+m)
?[1-(
m-M
m+M
)
2(n-1)
]
.
点评:本题主要考查了动量守恒定律,动量定理,动能定理的应用,第三问要先求出通项,再结合数学知识求解,难度很大,要求较高.
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