问题 问答题

如图所示,水平光滑地面上放一质量M=3kg的小车,左侧靠在竖直墙上,小车的四分之一圆弧轨道AB是光滑的,最低点B与粗糙的水平轨道BC相切.质量m=lkg的小滑块从A点正上方距BC竖直高度h=1.8m处无初速下落,滑过圆弧轨道后沿水平方向在小车上滑动.当小车与滑块达到共同速度后,小车与右侧的竖直墙壁发生碰撞,小车立即原速率反弹,之后滑块从小车上掉下做自由落体运动,已知滑块与BC间的动摩擦因数μ=0.3,g=10m/S2,不计空气阻力,求:

(1)滑块到达小车上B点时的速度大小;

(2)滑块自B点开始到与小车速度相同时所用时间;

(3)BC的长度.

答案

解(1)设物块到达B点的速度为vB,有:mgh=

1
2
m
v21

解得:v1=

2gh
=
2×10×1.8
m/s=6m/s

(2)以物块及小车系统为研究对象,向右的方向为正方向,根据动量守恒得:mv1=(M+m)v2

解得:v2=

mv1
M+m
=
1×6
3+1
m/s=1.5m/s

设滑块自B点开始到与小车速度相同时所用时间t,则:-μmg•t=mv2-mv1

t=

v1-v2
μg
=
6-1.5
0.3×10
s=1.5s

(3)当小车与滑块达到共同速度时,滑块的位移:x1=

v1+v2
2
•t=
6+1.5
2
×1.5m=5.625m

小车的位移:x2=

v2
2
•t=
1.5
2
×1.5m=1.125m

小车与右侧的竖直墙壁发生碰撞,小车立即原速率反弹,滑块则在小车上向右做减速运动,由于滑块从小车上掉下做自由落体运动,所以滑块的末速度是0,

该过程中小车与滑块组成的系统动量守恒,设小车的末速度是v 3,向右的方向为正方向,得:

-Mv2+mv2=Mv3+m×0

得:v3=

-Mv2+mv2
M
=
-3×1.5+1×1.5
3
m/s=-1m/s

该过程对应的时间:-μmgt′=0-mv2

得:t′=

v2-0
μg
=
1.5
0.3×10
s=0.5s

该时间内,滑块的位移:x3=

v2+0
2
×t′=
1.5
2
×0.5m=0.375m

小车的位移:x4=

(-v2)+v3
2
•t′=
-1.5-1
2
×0.5m=-0.625m

整个的过程中小车与滑块的相对位移:△x=x1-x2+x3-x4=5.625-1.125+0.375-(-0.625)=5.5m

整个的过程中小车与滑块的相对位移即小车的BC段的长度.

答:(1)滑块到达小车上B点时的速度大小是6m/s;

(2)滑块自B点开始到与小车速度相同时所用时间是1.5s;

(3)BC的长度是5.5m.

单项选择题
选择题