问题 计算题

一倾角为的斜面固定于地面,斜面顶端离地面的高度h0=1m,斜面底端有一垂直于斜面的固定挡板。在斜面顶端自由释放一质量m=0.09kg的小物块(视为质点)。小物块与斜面之间的动摩擦因数u=0.2。当小物块与挡板碰撞后,将以原速返回。重力加速度g="10" m/s2。在小物块与挡板的前4次碰撞过程中,挡板给予小物块的总冲量是多少?

答案

I=0.4(3+)N·s

解法一:设小物块从高为h处由静止开始沿斜面向下运动,到达斜面底端时速度为v。由功能关系得

                  ①

以沿斜面向上为动量的正方向。按动量定理,碰撞过程中挡板给小物块的冲量

                   ②

设碰撞后小物块所能达到的最大高度为,则

            ③

同理,有

               ④

                                ⑤

式中,为小物块再次到达斜面底端时的速度,为再次碰撞过程中挡板给小物块的冲量。由①②③④⑤式得

                   ⑥

式中

                    ⑦

由此可知,小物块前4次与挡板碰撞所获得的冲量成等比级数,首项为

                        ⑧

总冲量为

             ⑨

                       ⑩

                

代入数据得

I=0.4(3+)N·s                         

解法二:设小物块从高为h处由静止开始沿斜面向下运动,小物块受到重力,斜面对它的摩擦力和支持力,小物块向下运动的加速度为a,依牛顿第二定律得

                        ①

设小物块与挡板碰撞前的速度为v,则

                                    ②

以沿斜面向上为动量的正方向。按动量定理,碰撞过程中挡板给小物块的冲量为

                            ③

由①②③式得

                      ④

设小物块碰撞后沿斜面向上运动的加速度大小为,依牛顿第二定律有

mgsin+umgcos= m                           ⑤

小物块沿斜面向上运动的最大高度为

                     ⑥

由②⑤⑥式得

h′=k2h                                      

式中

                                    ⑧

同理,小物块再次与挡板碰撞所获得的冲量

I′=2m                             ⑨

由④⑦⑨式得

I′=kI                                                      ⑩

由此可知,小物块前4次与挡板碰撞所获得的冲量成等比级数,首项为

I1=2m                        

总冲量为

I=I1+ I2 +I3+I4= I1(1+k+k2+ k3)                    

1+k+k2+…+kn-1=                  

                           

代入数据得

I=0.4(3+)N·s                   

单项选择题
多项选择题