题目内容

4.如图,长木板ab的b端固定一挡板,木板连同挡板的质量为M=4.0kg,木板长L=2.0m,挡板厚度不计.木板位于光滑水平面上.在木板a端有一小物块,其质量m=1.0kg,小物块与木板间的动摩擦因数μ=0.10,它们都处于静止状态.现令小物块以初速v0=4.0m/s 沿木板向前滑动,直到和挡板相碰.碰撞后,小物块恰好回到a端而不脱离木板.求:
(1)碰前木板和物块速度各是多少?
(2)碰撞过程中损失的机械能?

分析 (1)物块在木板上运动的过程,系统的动量和能量都守恒,根据动量守恒定律和能量守恒定律求小物块与挡板碰前的速度.
(2)小物块恰好回到a端而不脱离木板,小物块和木板的速度相同,根据动量守恒定律即可求解两者的共同速度.对系统,运用能量守恒定律列式,求解系统损失的总的机械能,再减去摩擦产生的内能,即等于碰撞过程中损失的机械能.

解答 解:(1)设小物块与挡板碰前物块与木板的速度分别为v1和v2.取向右为正方向,根据动量守恒定律和能量守恒定律得:
mv0=mv1+Mv2…①
μmgL=$\frac{1}{2}m{v}_{0}^{2}$-$\frac{1}{2}m{v}_{1}^{2}$-$\frac{1}{2}M{v}_{2}^{2}$…②
代入得:
1×4=v1+4v2…③
0.1×1×10×2=$\frac{1}{2}$×1×42-$\frac{1}{2}$×1×v12-$\frac{1}{2}$×4×v22…④
联立解得:v1=$\frac{4+4\sqrt{11}}{5}$m/s,v2=$\frac{4-\sqrt{11}}{5}$m/s
(2)小物块恰好回到a端而不脱离木板时,设木板和物块的共同速度为v,取向右为正方向,由动量守恒定律得:
 mv0=(M+m)v,
代入数据解得:v=0.8m/s;
对木板和物块组成的系统,全过程损失的总的机械能为:
△E=$\frac{1}{2}$mv02-$\frac{1}{2}$(M+m)v2,
全过程中,系统克服摩擦力做功损失的机械能为:△E1=μmg•2L
物块与挡板碰撞过程中损失的机械能为:△E2=△E-△E1,
代入数据得:△E2=2.4J;
答:(1)碰前木板和物块速度各是$\frac{4-\sqrt{11}}{5}$m/s和$\frac{4+4\sqrt{11}}{5}$m/s.
(2)碰撞过程中损失的机械能是2.4J.

点评 本题考查动量守恒及功能关系,应注意机械能的损失有两部分,一部分来自于碰撞,另一部分来自于摩擦力做功,应用动量守恒定律求解时要注意规定正方向.

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