问题 问答题

如图所示,一块足够长的木板放在光滑的水平面上,在木板上自左向右放有序号为l、2、3、…、n的木块,所有木块的质量都为m,与木板间的动摩擦因数都为μ.木板的质量与所有木块的总质量相等.开始时,木板静止不动,第l、2、3、…、n号木块的速度分别为v0、2v0、3v0…、nv0方向都向右,最终所有木块与木板以共同速度匀速运动.求:

(1)所有木块与木板一起匀速运动的速度大小vn

(2)第l号木块与木板刚好相对静止时的速度大小v1

(3)通过分析与计算得出第k号(k<n)木块的最小速度vk

答案

(1)根据动量守恒定律得:mv0+2mv0+3mv0+…+nmv0=2nmvn

解得:vn=

1
4
(n+1)v0

(2)设经过t时间,第1号物块与木板刚好相对静止,共同速度为v1,根据动量定理得

对第一个木块:-μmgt=m(v1-v0

对木板:n•μmgt=nmv1

联立以上二式,解得:v1=

1
2
v0μmgt=
1
2
mv0

(3)第1号物块到达速度v1=

1
2
v0之后,又会随木板做加速运动.所以
1
2
v0
就是第1号物块的最小速度.同理可得,第k号(k<n)物块的最小速度就是它与木板相对静止的瞬间的速度.

设经过t2时间,第2号物块与木板刚好相对静止,共同速度为v2,根据动量定理得

对第2个木块:-μmgt2=mv2-(2mv0-μmgt)

对木板和第1个木块:(n-1)μmgt2=(n+1)m(v2-v1

联立以上二式 v2=

2n-1
2n
v0μmgt2=
2n+1
2n
mv0

设经过t3时间,第3号物块与木板刚好相对静止,共同速度为v3,根据动量定理得

对第3个木块:-μmgt3=mv3-(3mv0-μmgt-μmgt2

对木板和2个木块:(n-2)μmgt3=(n+2)m(v3-v2

设经过tk时间,第k号物块与木板刚好相对静止,共同速度为vk,根据动量定理得

对第k个木块:-μmgtk=mvk-(kmv0-μmgt-μmgt2…μmgtk

对木板和(k-1)个木块:[n-(k-1)]μmgtk=[n+(k-1)]m(vk-vk-1

联立以上各式,解得:vk=

(2n+1-k)kv0
4n

答:(1)所有物块与木板一起匀速运动的速度vn=

1
4
(n+1)v0

(2)第1号物块与木板刚好相对静止时的速度v1=

1
2
v0

(3)通过分析和计算说明第k号(k<n)物块的最小速度vk=

(2n+1-k)kv0
4n

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