问题 问答题

如图所示,装置的左边是足够长的光滑水平台面,一轻质弹簧左端固定,右端连接着质量M=1kg的小物块A,装置的中间是水平传送带,它与左、右两边的台面等高,并能平滑对接.传送带始终以v=1m/s的速率逆时针转动.装置的右边是一光滑曲面,质量m=0.5kg的小物块B从其上距水平台面高h=0.8m处由静止释放.已知物块B与传送带之间的动摩擦因数μ=0.35,l=1.0m.设物块A、B间发生的是对心弹性碰撞,第一次碰撞前物块A处于静止状态.取g=10m/s2

(1)求物块B与物块A第一次碰撞前的速度大小.

(2)通过计算说明物块B与物块A第一次碰撞后能否运动到右边的曲面上?

(3)如果物块A,B每次碰撞后,弹簧恢复原长时都会立即被锁定,而当它们再次碰撞前锁定被解除,试求出物块B第n次碰撞后的运动速度大小.

答案

(1)设物块B沿光滑曲面下滑到水平位置时的速度大小为v0,由机械能守恒定律可得:

mgh=

1
2
mv02

解得:v0=

2gh
=
2×10×0.8
=4m/s,

设物块B在传送带上滑动过程中因受摩擦力所产生的加速度大小为a,则有:μmg=ma,

设物块B通过传送带后运动速度大小为v,有:v12-v02=-2al,

解得:v1=3m/s>v=1m/s,则物块B与物块A第一次碰撞前的速度大小为3m/s;

(2)设物块A、B第一次碰撞后的速度分别为vA、vB,取向右为正方向,由动量守恒定律得:

-mv1=MvA+mvB

由机械能守恒定律得:

1
2
mv2=
1
2
mvB2+
1
2
MvA2

解得:vA=-2m/s,vB=1m/s,(vA=0m/s,vB=-3m/s不符合题意,舍去)

即碰撞后物块B在水平台面向右匀速运动,设物块B在传送带上向右运动的最大位移为l',则有:

0-vB2=-2al′,

解得:l′=

1
7
<l,

所以物块B不能通过传送带运动到右边的曲面上;

(3)当物块B在传送带上向右运动的速度为零时,将会沿传送带向左加速.可以判断,物块B运动到左边台面是的速度大小为vB,继而与物块A发生第二次碰撞.

由(2)可知,vB=

1
3
v1

同理可得:第二次碰撞后B的速度:vB1=

1
3
vB=(
1
3
2v1

第n次碰撞后B的速度为:vB(n-1)=(

1
3
nv1=(
1
3
n×3==(
1
3
n-1m/s;

答:(1)物块B与物块A第一次碰撞前的速度大小为3m/s.

(2)物块B与物块A第一次碰撞不能运动到右边的曲面上;

(3)物块B第n次碰撞后的运动速度大小为(

1
3
n-1m/s.

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