题目内容

2.如甲图所示,水平光滑地面上用两颗钉子(质量忽略不计)固定停放着一辆质量为M=2kg的小车,小车的四分之一圆弧轨道是光滑的,半径为R=0.6m,在最低点B与水平轨道BC相切,视为质点的质量为m=1kg的物块从A点正上方距A点高为h=1.2m处无初速下落,恰好落入小车圆弧轨道滑动,然后沿水平轨道滑行恰好停在轨道末端C.现去掉钉子(水平面依然光滑未被破坏)不固定小车,而让其左侧靠在竖直墙壁上,该物块仍从原高度处无初速下落,如乙图所示.不考虑空气阻力和物块落入圆弧轨道时的能量损失,已知物块与水平轨道BC间的动摩擦因数为μ=0.1,重力加速度g取10m/s2,求:

(1)水平轨道BC长度;
(2)小车不固定时物块再次与小车相对静止时距小车B点的距离;
(3)两种情况下由于摩擦系统产生的热量之比.

分析 (1)当小车固定时,重力与摩擦力对物体做功,由动能定理即可求出BC的长度;
(2)物块到达B之前机械能守恒,由此求出到达B的速度;之后小车与物块组成的系统在水平方向的动量守恒,由此求出共同速度,由功能关系求出物块相对于小车的位移;
(3)根据功能关系即可求出两种情况下由于摩擦系统产生的热量之比.

解答 解:(1)根据动能定理可得:mg(h+R)-μmgx=0-0,
代入数据解得:x=18 m.
(2)到达B点前小车不动,对物块有:$mg(h+R)=\frac{1}{2}m{v}_{B}^{2}$
得:vB=6m/s
之后小车匀加速,物块匀减速,二者在水平方向的动量守恒,选择向右为正方向,则最终二者速度相同时:
mvB=(M+m)v
得:v=$\frac{m{v}_{B}}{m+M}=\frac{1×6}{1+2}=2$m/s
系统损失的机械能转化为内能,则:${Q}_{2}=\frac{1}{2}m{v}_{B}^{2}-\frac{1}{2}(M+m){v}^{2}$=$\frac{1}{2}×1×{6}^{2}-\frac{1}{2}×(2+1)×{2}^{2}=12$J
又:Q2=f•s相对=μmg•s相对
所以:${s}_{相对}=\frac{{Q}_{2}}{μmg}=\frac{12}{0.1×1×10}=12$m
即物块相对与B点的距离是12m
(3)小车固定时摩擦系统产生的热量:Q1=μmgx=0.1×1×10×18=18J,小车不固定时摩擦系统产生的热量Q2=12J
所以:两种情况下由于摩擦系统产生的热量之比$\frac{{Q}_{1}}{{Q}_{2}}=\frac{18}{12}=\frac{3}{2}$
答:(1)水平轨道BC长度是18m;
(2)小车不固定时物块再次与小车相对静止时距小车B点的距离是12m;
(3)两种情况下由于摩擦系统产生的热量之比是3:2.

点评 本题属于碰撞模型,考查了求速度、长度、冲量问题,分析清楚物体运动过程,应用机械能守恒定律、动量守恒定律、动量定理即可正确解题.

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