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.
解(1)设物块到达B点的速度为vB,有:mgh=
m1 2 v 21
解得:v1=
=2gh
m/s=6m/s2×10×1.8
(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
m/s=1.5m/s1×6 3+1
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
s=1.5s6-1.5 0.3×10
(3)当小车与滑块达到共同速度时,滑块的位移:x1=
•t=v1+v2 2
×1.5m=5.625m6+1.5 2
小车的位移:x2=
•t=v2 2
×1.5m=1.125m1.5 2
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
m/s=-1m/s-3×1.5+1×1.5 3
该过程对应的时间:-μmgt′=0-mv2
得:t′=
=v2-0 μg
s=0.5s1.5 0.3×10
该时间内,滑块的位移:x3=
×t′=v2+0 2
×0.5m=0.375m1.5 2
小车的位移:x4=
•t′=(-v2)+v3 2
×0.5m=-0.625m-1.5-1 2
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.