题目内容

【题目】将一带有1/4光滑圆弧轨道的长木板固定在水平面上,其中B点为圆弧轨道的最低点,BC段为长木板的水平部分,长木板的右端与足够长的平板车紧靠在一起但不粘连,在平板车的右端放置一可视为质点的小铁块乙,忽略小铁块乙与平板车之间的摩擦力。现将与乙完全相同的小铁块甲由1/4光滑圆弧的最高点A无初速度释放,小铁块甲经C点滑到平板车的上表面,与小铁块乙碰后粘在一起。已知小铁块甲、小铁块乙以及平板车的质量均为m=1 kg,BC的长度L=3.5 m,1/4圆弧轨道的半径R=3.2 m,小铁块甲与长木板的BC段以及与平板车之间的动摩擦因数均为μ=0.4,假设最大静摩擦力等于滑动摩擦力,平板车与水平面之间的摩擦力可忽略不计,g=10 m/s2。问:

(1)小铁块甲刚到B点时对长木板的压力大小为多少?

(2)小铁块甲在长木板的水平部分BC段滑动的时间为多少?

(3)在整个运动过程中三者最终共速,则共速时小铁块甲与平板车左端的距离为多少?

【答案】(1)30 N(2)0.5 s(3)m

【解析】(1)小铁块甲由A点运动到B点时的速度为vB,由动能定理得:

在B点,由牛顿第二定律得:FN-mg=m

联立解得长木板对小铁块甲的支持力为 FN=3mg=30 N

由牛顿第三定律得,小铁块甲刚到B点时对长木板的压力大小为FN′=3mg=30 N

(2)小铁块甲在长木板上运动过程中有:μmg=ma

L=vBt-at2

联立解得:t=0.5 s(t=3.5 s不合题意,舍去)

(3)小铁块甲刚滑上平板车时的速度:

v1=vB-at=6 m/s

从小铁块甲滑上平板车到相对平板车静止过程中,平板车与小铁块甲组成的系统动量守恒,而小铁块乙保持静止,则有:mv1=(m+m)v2

小铁块甲与平板车的共同速度:v2=3 m/s

此过程中小铁块甲相对平板车的位移为L1,则:

解得:L1=m

小铁块甲与平板车匀速运动直到小铁块甲与小铁块乙发生碰撞,小铁块甲与小铁块乙相互作用的过程中动量守恒,有:mv2=(m+m)v3

此后小铁块甲与小铁块乙组成的系统与平板车发生相互作用,且该过程中动量守恒,且达到共同速度v4,得:

(m+m)v3+mv2=(m+m+m)v4

此过程中小铁块甲相对平板车的位移大小为L2,则:

解得:L2= m

因小铁块甲与小铁块乙碰撞后的共同速度v3小于平板车的速度v2,故小铁块甲最终与平板车左端的距离为x=L1-L2=m

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