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V+u(其中u为狗相对于雪橇的速度,V+u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MV1+m(V1+u)=0
狗第一次跳上雪橇时,雪橇与狗的共同速度V1′满足MV1+mv=(M+m)V1′
可解得V1′=![]()
将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 n-1,则狗第(n-1)次跳上雪橇后的速度Vn-1′满足
MVn-1+mv=(M+m)Vn-1′
这样,狗n次跳下雪橇后,雪橇的速度为Vn满足
MVn+m(Vn+u)=(M+m)Vn-1′
解得Vn=(v-u)[1-(
)n-1]-
(
)n-1
狗追不上雪橇的条件是Vn≥v
可化为 (
)n-1≤![]()
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V′i,由动量守恒定律可得
第一次跳下雪橇:MV1+m(V1+u)=0
V1=-
=1 m/s
第一次跳上雪橇:MV1+mv=(M+m)V1′
第二次跳下雪橇:(M+m)V1′=MV2+m(V2+u)
V2=
=3 m/s
第二次跳上雪橇:MV2+mv=(M+m)V2′
V2′=![]()
第三次跳下雪橇:(M+m)V2′=MV3+m(V3+u)
V3=
=4.5 m/s
第三次跳上雪橇:(M+m)V3=MV3′+m(V3′+u)
V3′=![]()
第四次跳下雪橇:(M+m)V3′=MV4+m(V4+u)
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.