题目内容

(2008?黄冈模拟)在光滑的水平面上,停着一辆平板小车,小车的质量为M=10kg.在小车左端A处放有质量为m=5kg的物体a(可视为质点),紧靠小车右蹩脚有一半半径R=1.8m的四分之一光滑圆孤轨道,轨道下端水平,如图所示,现让一质量M1=10kg的小滑块b(可视为质点)从轨道顶端自由滑下与小车相撞,假如碰撞时间极短且没有机械能损失,已知物体a与平板车间的动摩擦因数μ=0.4,后来物体在平板车上相对于小车向右滑行L后被弹回,最后刚好在A点与车保持相对静止,g=10m/s2,求:
(1)L的大小;
(2)弹簧在压缩过程中所具有的最大弹性势能EP.
分析:(1)根据动能定理求出滑块b滑到底端时的速度大小,与小车碰撞的瞬间,动量守恒,机械能守恒,根据动量守恒定律和能量守恒定律求出碰后瞬间小车的速度,以物体a与小车为系统,当两者相对静止时,速度相同,结合动量守恒定律和能量守恒定律求出L的大小.
(2)当弹簧弹性势能最大时,a与小车速度也相等,结合能量守恒定律求出最大的弹性势能.
解答:解:(1)对小滑块b研究,根据动能定理得,M1gR=
1
2
M1v12
…①
解得:v1=
2gR
=
2×10×1.8
m/s=6m/s
.
滑块b与小车碰撞的瞬间,滑块b和小车动量守恒,由于碰撞过程中没有能量损失,则能量守恒.
则:M1v1=M1v2+Mv3… ②
1
2
M1v12=
1
2
M1v22+
1
2
Mv32
…③
代入数据,根据②③两式得:v3=6m/s.
物体a,与小车相互作用,设a与小车达到相对静止时,共同速度为v4,以物体a和小车为系统,由动量守恒定律:
Mv2=(M+m)v4…④
当a与小车在A点相对静止时,由能量守恒定律有:
1
2
M
v
2
3
=
1
2
(M+m)
v
2
4
+μmg?2L
…⑤
代入数据④⑤得:L=1.5m.
(2)当弹簧弹性势能最大时,a与小车速度也相等,由能量守恒定律有
1
2
M
v
2
3
=
1
2
(M+m)
v
2
4
+Ep+μmg?L
…⑥
代入数据,由④⑥得,Ep=30J.
答:(1)L的大小为1.5m.
(2)弹簧在压缩过程中所具有的最大弹性势能为30J.
点评:本题考查了动量守恒定律、动能定理、能量守恒定律,综合性较强,对学生的能力要求较高,在运用动量守恒定律时,关键要合理地选择研究的系统.
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