如图所示,在光滑的水平面上停放着一辆平板车,在车上的左端放有一木块B.车左边紧邻一个固定在竖直面内、半径为R的14圆弧形光滑轨道,已知轨道底端的切线水平,且高度与车表

首页 > 考试 > 物理 > 高中物理 > 动量守恒定律/2022-11-16 / 加入收藏 / 阅读 [打印]

◎ 题目

如图所示,在光滑的水平面上停放着一辆平板车,在车上的左端放有一木块B.车左边紧邻一个固定在竖直面内、半径为R的
1
4
圆弧形光滑轨道,已知轨道底端的切线水平,且高度与车表面相平.现有另一木块A(木块A、B均可视为质点)从圆弧轨道的顶端由静止释放,然后滑行到车上与B发生碰撞.两木块碰撞后立即粘在一起在平板车上滑行,并与固定在平板车上的水平轻质弹簧作用后被弹回,最后两木块刚好回到车的最左端与车保持相对静止.已知木块A的质量为m,木块B的质量为2m,车的质量为3m,重力加速度为g,设木块A、B碰撞的时间极短可以忽略.求:
(1)木块A、B碰撞后的瞬间两木块共同运动速度的大小.
(2)木块A、B在车上滑行的整个过程中,木块和车组成的系统损失的机械能.
(3)弹簧在压缩过程中所具有的最大弹性势能.

◎ 答案

(1)设木块A到达圆弧底端时得速度为v0,对木块A沿圆弧下滑得过程,根据机械能守恒定律,有:
mgR=
1
2
mv02
在A、B碰撞得过程中,两木块组成得系统动量守恒,设碰撞后的共同速度大小为v1,则:
mv0=(m+2m)v1
解得:v1=
1
3

2gR

(2)A、B在车上滑行的过程中,A、B及车组成的系统动量守恒.A、B滑到车的最左端时与车具有共同的速度,设此时速度大小为v,根据动量守恒定律,有:
(m+2m)v1=(m+2m+3m)v,
A、B在车上滑行的整个过程中系统损失的机械能为:
△E=
1
2
(m+2m)v12-
1
2
(m+2m+3m)v2=
1
6
mgR,
(3)设当弹簧被压缩至最短时,木块与车有相同的速度v2,弹簧具有最大的弹性势能E,根据动量守恒定律有:
(m+2m)v1=(m+2m+3m)v2
所以有:v2=v.
设木块与车面摩檫力为f,在车上滑行距离为L,由能量守恒,对于从A、B一起运动到将弹簧压缩至最短的过程有:
1
2
(m+2m)v12=
1
2
(m+2m+3m)v22+fL+E,
对于从弹簧被压缩至最短到木块滑到车的左端的过程有:
1
2
(m+2m+3m)v22+E=
1
2
(m+2m+3m)v2+fL,
解得:E=
1
12
mgR.
答:(1)木块A、B碰撞后的瞬间两木块共同运动速度的大小为
1
3

2gR

(2)木块A、B在车上滑行的整个过程中,木块和车组成的系统损失的机械能为
1
6
mgR;
(3)弹簧在压缩过程中所具有的最大弹性势能为
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