题目内容

11.如图所示,滑块A的质量m=0.01kg,与水平地面间的动摩擦因数μ=0.2,用细线悬挂的质量均为m=0.01kg的小球沿水平面排列,且恰与水平面接触.A与第1只小球及相邻两小球间距离均为s=2m,线长分别为L1、L2、L3…(图中只画出三只小球,且小球可视为质点),开始时,滑块以速度v0=10m/s沿水平方向向右运动.设滑块与小球碰撞时不损失机械能,碰撞后小球均恰能在竖直平面内完成完整的圆周运动并再次与滑块正碰,重力加速度g=10m/s2.下面说法正确的是BC(  )
A.滑块能与11个小球碰撞
B.碰撞中第n个小球悬线长Ln的表达式为$\frac{50-4n}{25}$
C.滑块与第一个小球碰撞后瞬间,悬线对小球的拉力为0.6N
D.滑块与第一个小球碰撞后瞬间,悬线对小球的拉力为0.8N

分析 (1)通过动能定理求出滑块能够向前滑动的距离,结合两球间的距离确定碰撞球的个数.
(2)根据牛顿第二定律求出最高点的临界速度,通过机械能守恒定律求出最低点的速度,结合动能定理求出碰撞中第k个小球悬线长Lk的表达式.
(3)因为小球恰能做圆周运动,求出最高点的临界速度,通过机械能守恒定律求出最低点的速度,根据牛顿第二定律求出悬线对小球的拉力大小.

解答 解:A、因滑块与小球质量相等且碰撞中机械能守恒,滑块与小球相碰撞会互换速度,小球在竖直平面内做圆周运动,机械能守恒,设滑块滑行总距离为s0,有:
-μmgs0=0-$\frac{1}{2}$m${v}_{0}^{2}$
得:s0=25m
n=$\frac{{s}_{0}}{s}$=12(个);故A错误;
B、滑块与第n个小球碰撞,设小球运动到最高点时速度为${v′}_{n}^{\;}$
对小球,有:mg=m$\frac{{v′}_{n}^{2}}{{L}_{n}}$ ①
机械能守恒:$\frac{1}{2}$m${v}_{n}^{2}$=$\frac{1}{2}$m${v′}_{n}^{2}$+2mgLn ②
对滑块,有:-μmgns=$\frac{1}{2}$m${v}_{n}^{2}$-$\frac{1}{2}$m${v}_{0}^{2}$ ③
解①②③三式得:Ln=$\frac{{v}_{0}^{2}-2μgsn}{5g}$=2-$\frac{4n}{25}$ (m) 故B正确;
C、滑块做匀减速运动到第一个小球处与第一个小球碰前的速度为v1,则有
-μmgs=$\frac{1}{2}$m${v}_{1}^{2}$-$\frac{1}{2}$m${v}_{0}^{2}$
由于滑块与小球碰撞时不损失机械能,则碰撞前后动量守恒、动能相等,滑块与小球相碰撞会互换速度,碰撞后瞬间小球的速度仍为v1.
此时小球受重力和绳子的拉力作用,由牛顿定律得:
T-mg=m$\frac{{v}_{1}^{2}}{{L}_{1}}$
因为L1=$\frac{50-4×1}{25}$=$\frac{46}{25}$
由上述三式解得:T=0.6N;故C正确,D错误;
故选:BC

点评 本题综合考查了牛顿第二定律、动能定理、机械能守恒定律及动量守恒理定律等规律,综合性较强,对学生的能力要求较高,要注意认真分析物理过程,明确每一过程中的受力情况,再选择正确的物理规律求解.

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