题目内容

【题目】如图所示,一车上表面由粗糙的水平部分和光滑的半圆弧轨道组成,车紧靠台阶静止在光滑水平地面上,且左端与光滑圆弧形轨道末端等高,圆弧形轨道末端水平,一质量为的小物块从距圆弧形轨道末端高为处由静止开始滑下,与静止在车左端的质量为的小物块(可视为质点)发生弹性碰撞(碰后立即将小物块取走,使之不影响的运动),已知长为,车的质量为,取重力加速度,不计空气阻力.

(1)求碰撞后瞬间物块的速度;

(2)若物块在半圆弧轨道上经过一次往返运动(运动过程中物块始终不脱离轨道),最终停在车水平部分的中点,则半圆弧轨道的半径至少多大?

【答案】(1)10 m/s,方向水平向右 (2)1.25m

【解析】

(1)设物块到达圆弧形轨道末端的速度大小为,由机械能守恒定律得

代入数据解得到

物块、碰撞过程动量守恒,机械能守恒,取水平向右为正方向,设碰后瞬间、速度分别为、,则

解得

,(或,,不符合题意,舍去)

故碰撞后瞬间物块的速度大小为10 m/s,方向水平向右

(2)设物块与车相对静止时,共同速度大小为,系统在水平方向动量守恒,则

解得

.

物块从开始运动到与车相对静止过程中系统的能量守恒,设物块与间的动摩擦因数为,则

解得

经分析可知,物块滑至点与车共速时,半径最小,则有

代人数据解得

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