问题 问答题

如图所示,平板车质量为m,长为L,车右端(A点)有一个质量为M=2m的小滑块(可视为质点).平板车静止于光滑水平面上,小车右方足够远处固定着一竖直挡板,小滑块与车面间有摩擦,并且在AC段、CB段动摩擦因数不同,分别为μ1、μ2,C为AB的中点.现给车施加一个水平向右的恒力,使车向右运动,同时小物块相对于小车滑动,当小滑块滑至C点时,立即撤去这个力.已知撤去这个力的瞬间小滑块的速度为v0,车的速度为2v0,之后小滑块恰好停在车的左端(B点)与车共同向前运动,并与挡板发生无机械能损失的碰撞.试求:

(1)μ1和μ2的比值.

(2)通过计算说明,平板车与挡板碰撞后,是否还能再次向右运动.

答案

设在有水平外力F时平板车的加速度为a1,在无水平外力F时平板车的加速度为a2,小滑块在AC段和CB段的加速度分别为  

a/1
a/2

由牛顿第二定律得:μ1•2mg=2m•a'1解得:

a/1
=μ1g①

同理:

a/2
=μ2g②

当小滑块在AC段运动时,由题意可知:

2v0
2
t1-
v0
2
t1=
L
2

v0=

a/1
t1

由①③④联立得:

v20
=μ1gL⑤

设小滑块滑到B端时与车的共同速度为v1,由于滑块从C滑到B的过程中,滑块和车的系统受到的合外力为零,故动量守恒,于是有:

2m•v0+m•2v0=(2m+m)v1

当小滑块在在CB段运动时,由运动学知识可知:

2v0+v1
2
t2-
v0+v1
2
t2=
L
2

v1-v0=

a/2
t2

由②⑥⑦⑧联立得:

v20
=3μ2gL⑨

所以,由⑤⑨得:

μ1
μ2
=
3
1

(2)设小滑块滑到B端时与车的共同速度为v1,由于滑块从C滑到B的过程中,滑块和车的系统受到的合外力为零,故动量守恒,于是有:

2m•v0+m•2v0=(2m+m)v1

平板车与挡板碰撞后以原速大小返回,之后车向左减速,滑块向右减速,由于M=2m,所以车的速度先减小到零.设车向左运动的速度减小为零时,滑块的速度为v2,滑块滑离车B端的距离为L1

由于上述过程系统的动量守恒,于是有:2m•v1-mv1=2m•v2

对车和滑块的系统运用能量守恒定律得:

μ2•2m•g

L
2
+μ1•2m•g(L1-
L
2
)=
1
2
(2m+m)
v21
-
1
2
•2m•
v22

由①②③式及μ1gL=

v20
μ2gL=
1
3
v20

可解得:L1=

13
9
L

由于L1=

13
9
L>L,故小车的速度还没有减为零时,小物块已经从小车的右端滑下,之后小车向左匀速运动,故车不会再向右运动了

答:(1)

μ1
μ2
=
3
1

(2)平板车与挡板碰撞后,不再向右运动.

单项选择题
多项选择题