问题 问答题

如图所示,光滑水平面上静止放置着一辆平板车A,车总长为L.车上有两个小滑块B和C(都可视为质点),B与车之间的动摩擦因数为μ,而C与车之间的动摩擦因数为2μ.开始时B、C分别从车的左、右两端同时以大小相同的初速度相向滑行.经过一段时间,C、A的速度达到相等,此时C和B恰好发生碰撞.已知C和B发生碰撞时两者的速度立刻互换,且碰撞时间极短.A、B、C三者的质量都相等,重力加速度为g.设最大静摩擦力大小等于滑动摩擦力,求:

(1)B、C刚滑上平板车A时,A、B、C三者各自的加速度?

(2)B和C刚滑上平板车时的初速度v0的大小?

(3)C和B发生碰撞后经过多长时间A、B、C三者的速度相同?共同速度为多少?(滑块C最后没有脱离车)

答案

(1)设ABC三者的质量都为m,根据牛顿第二定律得:

fc=2μmg=mac,解得:ac=2μg,方向水平向右

fb=μmg=mab,解得:ab=μg,方向水平向左

fc-fb=μmg=maa,解得:aa=μg,方向水平向左

(2)从开始到C、A的速度达到相等这一过程所需要的时间为t

对C,由牛顿定律和运动学规律有

vC=v0-aCt

SC=

1
2
(v0+vC)t

对A,由牛顿定律和运动学规律有

vA=aAt=vC

SA=

1
2
vAt

对B,由牛顿定律和运动学规律有

vB=v0-aBt

SB=

1
2
(v0+vB)t

C和B恰好发生碰撞,则有

SC+SB=L

由以上各式解得初速度v0=

2μgL

(3)ABC三者的末速度分别为vA=vC=

1
3
v0(向左)

vB=

2
3
v0(向右)

C和B发生碰撞时两者速度立刻互换,则碰后C和B的速度各为

v′C=

2
3
v0(向右)

v′B=

1
3
v0(向左)

碰撞后B和A的速度相等,设B和A保持相对静止一起运动,此时对B和A整体有

fc=2μmg=2ma

隔离B,则B受到的摩擦力为

f′b=ma

可得f′b=μmg,说明B和A保持相对静止一起运动

C和B发生碰撞后经过t0时间ABC三者速度相同,共同速度为v,向右为正

fc=-2μmg=ma′c解得:a′c=-2μg

fAB=-fC=2μmg=ma′AB解得:a′AB=μg

2
3
v0-2μgt0=-
1
3
v0+μgt0=v

解得:t0=

v0
3μg
=
2μgl
3μg
,v=0

答:(1)B、C刚滑上平板车A时,A、B、C三者各自的加速度分别为μg,μg,2μg;

(2)B和C刚滑上平板车时的初速度v0的大小为

2μgL

(3)C和B发生碰撞后经过

2μgl
3μg
时间A、B、C三者的速度相同,共同速度为0

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