光滑水平地面上停放着一辆质量m=2kg的平板车,质量M=4kg可视为质点的小滑块静放在车左端,滑块与平板车之间的动摩擦因数μ=0.3,如图所示.一水平向右的推力F=24N作用在滑块M上0.5s撤去,平板车继续向右运动一段时间后与竖直墙壁发生碰撞,设碰撞时间极短且车以原速率反弹,滑块与平板之间的最大静摩擦力与滑动摩擦力大小相等,平板车足够长,以至滑块不会从平板车右端滑落,g取10m/s2.求:
(1)平板车第一次与墙壁碰撞后能向左运动的最大距离s多大?此时滑块的速度多大?
(2)平板车第二次与墙壁碰撞前的瞬间速度v2多大?
(3)为使滑块不会从平板车右端滑落,平
板车l至少要有多长?
(1)0.33m;(2)0.67m/s;(3)1m
(1)滑块与平板车之间的最大静摩擦力fm=μMg,设滑块与车不发生相对滑动而一起加速运动的最大加速度为am,以车为研究对象,则am== =6m/s2
以滑块和车整体为研究对象,作用在滑块上使滑块与车一起静止地加速的水平推力的最大值设为Fm,则Fm=(M+m)am=36N
已知水平推力F=24N<36N,所以在F作用下M、m能相对静止地一起向右加速.
设第一次碰墙前M、m的速度为v1,v1==2m/s
第一次碰墙后到第二次碰前车和滑块组成的系统动量守恒
车向左运动速度减为0时,由于m<M,滑块仍在向右运动,设此时滑块的速度为v1',车离墙壁距离s
Mv1-mv1=Mv1'
v1'==1m/s
以车为研究对象,根据动能定理,有-μMgs=-mv12
s==0.33m
(2)第一次碰撞后车运动到速度为零时,滑块仍有向右的速度,滑动摩擦力使车以相同的加速度重新向右加速,如果车的加速过程持续到与墙第二次相碰,则加速过程位移也为s,可算出第二次碰鲡瞬向的速度大小也为2m/s,系统的总动量将大于第一次碰墙后的动量,这显然是不可能的,可见在第二次碰墙前车已停止加速,即第二次碰墙前一些时间车和滑块已相对静止.
设车与墙壁第二次碰撞前瞬间速度为v2,则Mv1-mv1=(M+m)v2
v2=v1=0.67m/s
(3)车每次与墙碰撞后一段时间内,滑块都会相对车有一段向右的滑动,由于两者相互摩擦,系统的部分机械能转化为内能,车与墙多次碰撞后,最后全部机械能都转化为内能,车停在墙边,滑块相对车的总位移设为l,则有
μMgl=(M+m)v12
代入数据解得l=1m