- 动量守恒定律的应用
- 共308题
如图所示,一条轨道固定在竖直平面内,粗糙的ab段水平,bcde段光滑,cde段是以O为圆心、R为半径的一小段圆弧,可视为质点的物块A和B紧靠在一起,静止于b处,A的质量是B的3倍。两物块在足够大的内力作用下突然分离,分别向左、右始终沿轨道运动。B到d点时速度沿水平方向,此时轨道对B的支持力大小等于B所受重力的。A与ab段的动摩擦因数为μ,重力加速度为g,求:
(1)物块B在d点的速度大小v;
(2)物块A滑行的距离s。
正确答案
解:(1)设物块A和B的质量分别为mA和mBB在d处的合力为F,依题意 ①
由牛顿第二定律得 ②
③
(2)设A和B分开时的速度分别为v1和v2,系统动量守恒mAv1-mBv2=0 ④
B从位置b运动到d的过程中,机械能守恒 ⑤
A在滑行过程中,由动能定理 ⑥
联立③④⑤⑥得
如图所示,在距水平地面高h=0.80 m的水平桌面一端的边缘放置一个质量m=0.80 kg的木块B,桌面的另一端有一块质量M=1.0 kg的木块A以初速度v0= 4.0 m/s开始向着木块B滑动,经过时间t=0.80 s与B发生碰撞,碰后两木块都落到地面上,木块B离开桌面后落到地面上的D点。设两木块均可以看做质点,它们的碰撞时间极短,且已知D点距桌面边缘的水平距离s=0.60 m,木块A与桌面间的动摩擦因数μ=0. 25,重力加速度取g=10 m/s2。求:
(1)两木块碰撞前瞬间,木块A的速度大小;
(2)木块B离开桌面时的速度大小;
(3)木块A落到地面上的位置与D点之间的距离。
正确答案
解:(1)木块A在桌面上受到滑动摩擦力作用做匀减速运动,根据牛顿第二定律,木块A的加速度
=2.5 m/s2
设两木块碰撞前A的速度大小为v,根据运动学公式,得v=v0-at=2.0 m/s
(2)两木块离开桌面后均做平抛运动,设木块B离开桌面时的速度大小为v2,在空中飞行的时间为t',根据平抛运动规律有
解得
(3)设两木块碰撞后木块A的速度大小为v1,根据动量守恒定律有:Mv=Mv1+mv2
解得
设木块A落到地面过程的水平位移为s',根据平抛规律
则木块A落到地面上的位置与D点之间的距离△s=s -s'=0.28 m
质量为m的钢板与直立弹簧的上端连接,弹簧下端固定在地上,平衡时,弹簧的压缩量为x0,如图所示,一物块从钢板正上方距离为3x0的A处自由落下,打在钢板上并立刻与钢板一起向下运动,但不粘连,它们到达最低点后又向上运动。已知物块质量也为m时,它们恰能回到O点,若物块质量为2m,仍从A处自由落下,则物块与钢板回到O点时,还具有向上的速度,求物块向上运动到达的最高点与O点的距离。
正确答案
解:物块与钢板碰撞时的速度为v0,由机械能守恒得 ①
设v1表示质量为m的物块与钢板碰撞后一起开始向下运动的速度,因碰撞时间极短,动量守恒,则有mv0=2mv1 ②
刚碰完时弹簧的弹性势能为Ep,当它们一起回到O点时,弹簧无形变,弹性势能为零。根据题给条件,这时物块与钢板的速度为零,由机械能守恒 ③
设v2表示质量为2m的物块与钢板碰撞后开始一起向下运动的速度,则有2mv0=3mv2 ④
刚碰完时弹簧的弹性势能为Ep',它们回到O点时,弹性势能为零,但它们仍继续向上运动,设此时速度为v,则有Ep'+ ⑤
在以上两种情况中,弹簧的初始压缩量都是x0,故有Ep'=Ep ⑥
当质量为2m的物块与钢板一起回到O点时,弹簧的弹力为零,物块与钢板只受到重力作用,加速度为g。一过O点,钢板受到弹簧向下的拉力作用,加速度大于g。由于物块与钢板不粘连,物块不可能受到钢板的拉力,其加速度仍为g。故在O点物块与钢板分离,分离后,物块以速度v竖直上抛,则由以上各式解得,物块向上运动所到最高点与O点的距离为
如图所示,质量m1=0.3 kg的小车静止在光滑的水平面上,车长L=1.5 m,现有质量m2=0.2 kg可视为质点的物块,以水平向右的速度v0=2 m/s从左端滑上小车,最后在车面上某处与小车保持相对静止,物块与车面间的动摩擦因数μ=0.5,取g=10 m/s2,求
(1)物块在车面上滑行的时间t;
(2)要使物块不从小车右端滑出,物块滑上小车左端的速度v0'不超过多少。
正确答案
解:(1)设物块与小车共同速度为v,以水平向右为正方向,根据动量守恒定律有
m2v0=(m1+m2)v
设物块与车面间的滑动摩擦力为F,对物块应用动量定理有
-Ft=m2v-m2v0又F=μm2g
解得
代入数据得t=0.24 s
(2)要使物块恰好不从车面滑出,须使物块到车面最右端时与小车有共同的速度,设其为v',则
m2v0'=(m1+m2)v'
由功能关系有
代入数据解得v0'=5 m/s
故要使物块不从小车右端滑出,物块滑上小车左端的速度v0'不超过5 m/s
如图所示,一对杂技演员(都视为质点)乘秋千(秋千绳处于水平位置)从A点由静止出发绕O点下摆,当摆到最低点B时,女演员在极短时间内将男演员沿水平方向推出,然后自己刚好能回到高处A。求男演员落地点C与O点的水平距离x。已知男演员质量m1和女演员质量m2之比,秋千的质量不计,秋千的摆长为R,C点比O点低5R。
正确答案
解:设分离前男女演员在秋千最低点B的速度为v0,由机械能守恒定律有
设刚分离时男演员速度的大小为v1,方向与v0相同;女演员速度的大小为v2,方向与v0相反,由动量守恒定律有
(m1+m2)v0=m1v1-m2v2分离后,男演员做平抛运动,设男演员从被推出到落在C点所需的时间为t,根据题给条件,由运动学规律得4R=
根据题给条件,女演员刚好回到以A点,由机械能守恒定律得
已知m1=2m2,由以上各式可得x=8R
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