题目内容

19.如图所示,一条不可伸长的轻绳长为R,一端悬于天花板上的O点,另一端系一质量为m的小球(可视为质点).现有一个高为h,质量为M的平板车P,在其左端放有一个质量也为m的小物块Q(可视为质点),小物块Q正好处在悬点O的正下方,系统静止在光滑水平面地面上.今将小球拉至悬线与竖直位置成60°角,由静止释放,小球到达最低点时刚好与Q发生正碰,碰撞时间极短,且无能量损失.已知Q离开平板车时的速度大小是平板车速度的两倍,Q与P之间的动摩擦因数为μ,M:m=4:1,重力加速度为g.求:
(1)小物块Q离开平板车时速度为多大?
(2)平板车P的长度为多少?
(3)小物块Q落地时距小球的水平距离为多少?

分析 (1)小球下摆过程中,细线拉力不做功,只有重力做功,机械能守恒,由机械能守恒定律求出小球与Q碰撞前的速度大小;小球与小物块Q碰撞过程,时间极短,内力远大于外力,动量守恒,动能也守恒,由此列式,求出碰后两者的速度;Q在P上滑行时,小物块Q与小车系统受到的外力的合力为零,系统动量守恒,由动量守恒定律求Q离开平板车时的速度.
(2)根据功能关系:P、Q系统减小的机械能等于产生的内能,而内能等于滑动摩擦力与相对路程的乘积,求解P的长度.
(3)以地面为参考系,物块Q在小车上做匀减速直线运动,离开平板车后做平抛运动,根据牛顿第二定律和运动学公式结合求解Q落地时距小球的水平距离.

解答 解:(1)设小球即将与物块Q碰撞前的速度为v0,小球由初始位置摆动到最低点的过程中,由机械能守恒定律可得:
 mgR(1-cos60°)=$\frac{1}{2}m{v}_{0}^{2}$
解得:${v_0}=\sqrt{gR}$
设碰撞后小球速度为v1,物块Q速度为v2,由于小球与物块Q是弹性碰撞,所以碰撞过程满足机械能守恒和动量守恒,取向右为正方向,则得:$\frac{1}{2}mv_0^2=\frac{1}{2}mv_1^2+\frac{1}{2}mv_2^2$
  mv0=mv1+mv2
两式联立可得:v1=0,${v_2}={v_0}=\sqrt{gR}$
即:速度交换,小球速度变为零,Q获得速度v0.
设Q离开平板车时的速度大小为v,则平板车速度为$\frac{1}{2}v$,物块Q在小车上滑行的过程中,由动量守恒定律可得:
  $m{v_2}=mv+M×\frac{1}{2}v$
又 M:m=4:1
可得:$v=\frac{1}{3}\sqrt{gR}$
(2)设平板车的长度为L,由题意可得物块Q在小车上滑行时,一部分动能转化为系统的内能,所以有:$\frac{1}{2}mv_2^2-\frac{1}{2}m{v^2}-\frac{1}{2}M{(\frac{1}{2}v)^2}=μmgL$
可得:$L=\frac{7R}{18μ}$
(3)由题意可得,以地面为参考系,物块Q在小车上做匀减速直线运动,设其加速度为a,运动的位移为s1,离开平板车后做平抛运动,运动时间为t,水平位移为s2.
由牛顿运动定律可得:$a=\frac{μmg}{m}=μg$
由运动学公式得 ${v^2}-v_0^2=-2a{s_1}$
Q离开平板车后做平抛运动,则有 $h=\frac{1}{2}g{t^2}$,s2=vt
联立可得:物块运动的水平位移为 ${s_1}+{s_2}=\frac{4R}{9μ}+\frac{1}{3}\sqrt{2Rh}$
由于小球与物块Q碰后处于静止状态,所以小物块Q落地时距小球的水平距离即为物块运动的水平位移:${s_1}+{s_2}=\frac{4R}{9μ}+\frac{1}{3}\sqrt{2Rh}$
答:
(1)小物块Q离开平板车时速度为$\frac{1}{3}\sqrt{gR}$.
(2)平板车P的长度为$\frac{7R}{18μ}$.
(3)小物块Q落地时距小球的水平距离为$\frac{4R}{9μ}$+$\frac{1}{3}\sqrt{2Rh}$.

点评 本题采用程序法,逐一分析物体间的相互作用过程,分析得到物体间相互作用时满足的规律:动量守恒、能量守恒等,进而求出要求的物理量.

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