- 动量守恒定律
- 共5880题
如图所示,一辆质量为M的小车静止在水平面上,车面上右端点有一可视为质点的滑块1,水平面上有与车右端相距为4R的固定的
光滑圆弧轨道,其圆周半径为R,圆周E处的切线是竖直的,车上表面与地面平行且与圆弧轨道的末端D等高,在圆弧轨道的最低点D处,有另一个可视为质点的滑块2,两滑块质量均为m.某人由静止开始推车,当车与圆弧轨道的竖直壁CD碰撞后人即撤去推力并离开小车,车碰后靠着竖直壁静止但不粘连,滑块1和滑块2则发生碰撞,碰后两滑块牢牢粘在一起不再分离.车与地面的摩擦不计,滑块1、2与车面的摩擦系数均为μ,重力加速度为g,滑块与车面的最大静摩擦力可认为等于滑动摩擦力.
(1)若人推车的力是水平方向且大小为,则在人推车的过程中,滑块1与车是否会发生相对运动?
(2)在(1)的条件下,滑块1与滑块2碰前瞬间,滑块1的速度多大?若车面的长度为,小车质量M=km,则k的取值在什么范围内,两个滑块最终没有滑离车面?
正确答案
解:(1)设滑块1与车不发生相对滑动,它们的加速度大小为a,由牛顿第二定律有F=(M+m)a ①
此时滑块受到的静摩擦力大小为f=ma ②
而 ③
由①②③解得 ④
又滑块1与车面的最大静摩擦力为fm=μmg ⑤
显然f<fm,说明滑块1与车面之间没有发生相对滑动
(2)设滑块1与滑块2碰撞前瞬间滑块1的速度为v,根据动能定理有
⑥
联立③⑥求得 ⑦
设滑块1和2发生碰撞后的共同速度为v1,由动量守恒定律有 mv=2mv1 ⑧
联立⑦⑧求得 ⑨
两滑块粘合在一起后以v1的速度冲上光滑圆弧轨道,由于圆弧轨道的E处的切线是竖直的,则无论两滑块在圆弧轨道上运动,还是从E处竖直向上离开圆弧轨道,最后还是沿着圆弧轨道回到D处,整个过程中两滑块的机械能守恒,两滑块最终以速度v1冲上车面.
设两滑块滑到车的左端时,若滑块刚好不滑出车面,滑块和车应有共同的速度设为v2,由系统的动量守恒有
2mv1=(2m+km)v2=10 ⑩
由系统的能量守恒有 ⑪
联立⑨=10 ⑩⑪解得k=2⑫
所以当k≤2时,两个滑块最终没有滑离小车
答:
(1)若人推车的力是水平方向且大小为F=μ(M+m)g,在人推车的过程中,滑块1与车不会发生相对运动.
(2)在(1)的条件下,滑块1与滑块2碰前瞬间,滑块1的速度为,k的取值在k≤2时,两个滑块最终没有滑离车面.
解析
解:(1)设滑块1与车不发生相对滑动,它们的加速度大小为a,由牛顿第二定律有F=(M+m)a ①
此时滑块受到的静摩擦力大小为f=ma ②
而 ③
由①②③解得 ④
又滑块1与车面的最大静摩擦力为fm=μmg ⑤
显然f<fm,说明滑块1与车面之间没有发生相对滑动
(2)设滑块1与滑块2碰撞前瞬间滑块1的速度为v,根据动能定理有
⑥
联立③⑥求得 ⑦
设滑块1和2发生碰撞后的共同速度为v1,由动量守恒定律有 mv=2mv1 ⑧
联立⑦⑧求得 ⑨
两滑块粘合在一起后以v1的速度冲上光滑圆弧轨道,由于圆弧轨道的E处的切线是竖直的,则无论两滑块在圆弧轨道上运动,还是从E处竖直向上离开圆弧轨道,最后还是沿着圆弧轨道回到D处,整个过程中两滑块的机械能守恒,两滑块最终以速度v1冲上车面.
设两滑块滑到车的左端时,若滑块刚好不滑出车面,滑块和车应有共同的速度设为v2,由系统的动量守恒有
2mv1=(2m+km)v2=10 ⑩
由系统的能量守恒有 ⑪
联立⑨=10 ⑩⑪解得k=2⑫
所以当k≤2时,两个滑块最终没有滑离小车
答:
(1)若人推车的力是水平方向且大小为F=μ(M+m)g,在人推车的过程中,滑块1与车不会发生相对运动.
(2)在(1)的条件下,滑块1与滑块2碰前瞬间,滑块1的速度为,k的取值在k≤2时,两个滑块最终没有滑离车面.
如图所示,一质量为M=3kg的平板车B放在光滑水平面上,在其右端放一质量为m=1kg的小木块A,A、B间动摩擦因数为μ=0.5,现给A和B以大小相等.方向相反的初速度v0=6m/s,使A开始向左运动,B开始向右运动,最终A不会滑离B(g=10m/s2),求:
①A、B最终的速度大小和方向;
②从地面上看,小木块向左运动到离出发点最远处时,平板车向右运动的位移大小.
正确答案
解析
解:(1)设AB最终的共同速度为v,对于由AB所组成的系统,向水平向右为正方向;则由动量守恒定律可得:
Mv0-mv0=(M+m)v
代入数据可得:v=3m/s;
由于v>0;所以二者的最终速度方向水平向右;
(2)从地面上看,小木块向左运动到离出发点最远处时,木块速度为零,此时设平板车的速度为v′,对系统由动量守恒可得:
Mv0-mv0=Mv′
代入数据解得:v′=4m/s;
设在这一过程中,平板车向右运动位移为s,对于平板车由动能定理可得:
-μmgs=Mv′2-
Mv02
联立可得:s=
代入数据解得:s=6m;
答:(1)A、B最终的速度大小为3m/s;方向向右;
②从地面上看,小木块向左运动到离出发点最远处时,平板车向右运动的位移大小为6m.
如图所示,质量分别为m和2m的A、B两个木块间用轻弹簧相连,放在光滑水平面上,A靠紧竖直墙.用水平力F将B向左压,使弹簧被压缩一定长度,静止后弹簧储存的弹性势能为E.这时突然撤去F,关于A、B和弹簧组成的系统,下列说法中正确的是( )
正确答案
解析
解:A、B撤去F后,A离开竖直墙前,竖直方向两物体的重力与水平面的支持力平衡,合力为零,而墙对A有向右的弹力,使系统的动量不守恒.这个过程中,只有弹簧的弹力对B做功,系统的机械能守恒.A离开竖直墙后,系统水平方向不受外力,竖直方向外力平衡,则系统的动量守恒,只有弹簧的弹力做功,机械能也守恒.故A错误,B正确.
C、D撤去F后,A离开竖直墙后,当两物体速度相同时,弹簧伸长最长或压缩最短,弹性势能最大.设两物体相同速度为v,A离开墙时,B的速度为v0.根据动量守恒和机械能守恒得
2mv0=3mv,E=
又E=
联立得到,弹簧的弹性势能最大值为EP=.故C错误,D正确.
故选BD
两块厚度相同的木块A和B,紧靠着放在光滑的水平面上,其质量分别为mA=0.5kg,mB=0.3kg,它们的下底面光滑,上表面粗糙;另有一质量mc=0.1kg的滑块C(可视为质点),以Vc=25m/s的速度恰好水平地滑到A的上表面,如图所示,由于摩擦,滑块最后停在木块B上,B和C的共同速度为3.0m/s,求:
(1)木块A的最终速度VA;
(2)滑块C离开A时的速度VC′;
(3)C在A上滑动过程中的摩擦生热Q.
正确答案
解:(1)因为在光滑水平面上运动,所以系统的动量守恒,设木块A的最后速度为vA,规定向右为正方向,则有:
mCvc=mAvA+(mB+mC)v
代入数据解得:vA=2.6m/s;
(2)设离开A时C的速度为VC′,根据系统的动量守恒:
mCvC=mCVC′+(mA+mB)vA
VC′=4.2m/s,
(3)摩擦生热产生的热量为:Q=mcvC2-
mcVC′2-
(mA+mB)vA2
代入数据得:Q=27.7J
答:(1)木块A的最后速度vA为2.6m/s;
(2)滑块C离开A时的速度4.2m/s;
(3)C在A上滑动过程中的摩擦生热27.7J
解析
解:(1)因为在光滑水平面上运动,所以系统的动量守恒,设木块A的最后速度为vA,规定向右为正方向,则有:
mCvc=mAvA+(mB+mC)v
代入数据解得:vA=2.6m/s;
(2)设离开A时C的速度为VC′,根据系统的动量守恒:
mCvC=mCVC′+(mA+mB)vA
VC′=4.2m/s,
(3)摩擦生热产生的热量为:Q=mcvC2-
mcVC′2-
(mA+mB)vA2
代入数据得:Q=27.7J
答:(1)木块A的最后速度vA为2.6m/s;
(2)滑块C离开A时的速度4.2m/s;
(3)C在A上滑动过程中的摩擦生热27.7J
如图所示,质量为mA=2kg的木块A静止在光滑水平面上.一质量为mB=1kg的木块B以某一初速度v0=5m/s沿水平方向向右运动,与A碰撞后都向右运动.木块A与挡板碰撞后立即反弹(设木块A与挡板碰撞过程无机械能损失).后来木块A与B发生二次碰撞,碰后A、B同向运动,速度大小分别为0.9m/s、1.2m/s.求:
①第一次A、B碰撞后,木块A的速度;
②第二次碰撞过程中,A对B做的功.
正确答案
解:①设A、B第一次碰撞后的速度分别为 vA1、vB1,取向右为正方向,对于AB组成的系统,由动量守恒定律得:
mBv0=mA vA1+mBvB1
A与挡板碰撞,因为没有机械能损失,所以A原速反弹,则第二次A、B碰撞前瞬间的速度分别为vA1、vB1,设碰撞后的速度大小分别为vA2、vB2,
由题意知,vA2和vB2方向均向左,取向左为正方向,由动量守恒定律得:
mAvA1-mBvB1=mAvA2+mBvB2
联立解得:vA1=2m/s,vB1=1m/s
②设第二次碰撞过程中,A对B做的功为W,根据动能定理,
W=mBvB22-
mBvB12
解得:W=0.22J
答:①第一次A、B碰撞后,木块A的速度为2m/s;
②第二次碰撞过程中,A对B做的功为0.22J.
解析
解:①设A、B第一次碰撞后的速度分别为 vA1、vB1,取向右为正方向,对于AB组成的系统,由动量守恒定律得:
mBv0=mA vA1+mBvB1
A与挡板碰撞,因为没有机械能损失,所以A原速反弹,则第二次A、B碰撞前瞬间的速度分别为vA1、vB1,设碰撞后的速度大小分别为vA2、vB2,
由题意知,vA2和vB2方向均向左,取向左为正方向,由动量守恒定律得:
mAvA1-mBvB1=mAvA2+mBvB2
联立解得:vA1=2m/s,vB1=1m/s
②设第二次碰撞过程中,A对B做的功为W,根据动能定理,
W=mBvB22-
mBvB12
解得:W=0.22J
答:①第一次A、B碰撞后,木块A的速度为2m/s;
②第二次碰撞过程中,A对B做的功为0.22J.
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