如图,一质量为m=1kg的木板静止在光滑水平地面上.开始时,木板右端与墙相距L=0.08m;质量为m=1kg 的小物块以初速度v0=2m/s 滑上木板左端.木板长度可保证物块在运动过程中不与墙接触.物块与木板之间的动摩擦因数为μ=0.1.木板与墙的碰撞是完全弹性的.取g=10m/s2,求
(1)从物块滑上木板到两者达到共同速度时,木板与墙碰撞的次数及所用的时间;
(2)达到共同速度时木板右端与墙之间的距离.
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(l)物块滑上木板后,在摩擦力作用下,木板从静止开始做匀加速运动.设木板加速度为a,经历时间T后与墙第一次碰撞.碰撞时的速度为v1,则
μmg=ma …①
L=
aT2…②1 2
v1=at …③
联立①②③解得
T=0.4s v1=0.4m/s…④
在物块与木板两者达到共同速度前,在每两次碰撞之间,木板受到物块对它的摩擦力作用而做加速度恒定的匀减速直线运动,因而木板与墙相碰后将返回至初态,所用时间也为为T.设在物块与木板两者达到共同速度v前木板共经历n次碰撞,则有
v=v0-(2nT+△t)a=a△t…⑤
式中△t是碰撞n次后木板从起始位置至达到共同速度时所需要的时间.
由于最终两个物体一起以相同的速度匀速前进,故⑤式可改写为
2v=v0-2nT…⑥
由于木板的速率只能位于0到v1之间,故有
0≤v0-2nT≤2v1…⑦
求解上式得1.5≤n≤2.5
由于n是整数,故n=2 …⑧
由于速度相同后还要再一起与墙壁碰撞一次,故一个碰撞三次;
再有①⑤⑧得△t=0.2s …⑨
v=0.2m/s …⑩
从开始到物块与木板两者达到共同速度所用的时间为
t=4T+△t=1.8s …(11)
即从物块滑上木板到两者达到共同速度时,木板与墙共发生三次碰撞,所用的时间为1.8s.
(2)物块与木板达到共同速度时,木板与墙之间的距离为s=L-
a△t2…(12)1 2
联立 ①与(12)式,并代入数据得 s=0.06m…(13)
即达到共同速度时木板右端与墙之间的距离为0.06m.