题目内容

18.一个质量为M的雪橇静止在水平雪地上,一条质量为m的爱斯基摩狗站在该雪橇上,狗向雪橇的正后方跳下,随后又追赶并向前跳上雪撬;其后狗又反复地跳下、追赶并跳上雪橇.狗与雪橇始终沿一条直线运动.若狗跳离雪橇时雪橇的速度为V,则此时狗相对于地面的速度为Vu(其中u为狗相对于雪橇的速度,Vu为代数和,若以雪橇运动的方向为正方向,则V为正值,u为负值).设狗总以速度v追赶和跳上雪橇,雪橇与雪地间的摩擦忽略不计.已知v的大小为5 m/s,u的大小为4 m/s, M=30 kg, m=10 kg.

(1)求狗第一次跳上雪橇后两者的共同速度的大小.

(2)求雪橇最终速度的大小和狗最多能跳上雪橇的次数.

(供使用但不一定用到的对数值:lg2=0.301,lg3=0.477)

18.参考解答:

(1)设雪橇运动的方向为正方向,狗第一次跳下雪橇后雪橇的速度为V1,根据动量守恒定律,有MV1mV1u)=0

狗第一次跳上雪橇时,雪橇与狗的共同速度V1′满足MV1mv=(MmV1

可解得V1′=

u=-4 m/s,v=5 m/s,M=30 kg,m=10 kg代入,得V1′=2 m/s.

(2)解法(一):

设雪橇运动的方向为正方向.狗第(n-1)次跳下雪橇后雪橇的速度为

V n1,则狗第(n-1)次跳上雪橇后的速度Vn1′满足

MVn1mv=(MmVn1

这样,狗n次跳下雪橇后,雪橇的速度为Vn满足

MVnmVnu)=(MmVn1

解得Vn=(vu)[1-(n1]-n1

狗追不上雪橇的条件是Vnv

可化为  (n1

最后可求得n≥1+

代入数据,得n≥3.41

狗最多能跳上雪橇3次

雪橇最终的速度大小为V4=5.625 m/s

解法(二):

设雪橇运动的方向为正方向.狗第i次跳下雪橇后,雪橇的速度为Vi,狗的速度为Vi+u;狗第i次跳上雪橇后,雪橇和狗的共同速度为Vi,由动量守恒定律可得

第一次跳下雪橇:MV1mV1u)=0

V1=-=1 m/s

第一次跳上雪橇:MV1mv=(MmV1

第二次跳下雪橇:(MmV1′=MV2mV2u

V2=3 m/s

第二次跳上雪橇:MV2mv=(MmV2

V2′=

第三次跳下雪橇:(MmV2′=MV3mV3u

V3=4.5 m/s

第三次跳上雪橇:(M+mV3=MV3′+mV3′+u

V3′=

第四次跳下雪橇:(MmV3′=MV4mV4u

V4=5.625 m/s

此时雪橇的速度大于狗追赶的速度,狗将不可能追上雪橇.因此,狗最多能跳上雪橇3次.雪橇最终的速度大小为5.625 m/s.

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