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动量
能量
力学
综合
应用
板块
问题
2022
年高
物理
压轴
冲刺
提升
练习
解析
九、动量和能量在力学中综合应用二(板块问题)
1、(2021年1月湖南省新高考适应性考试)如图,一滑板的上表面由长度为L的水平部分AB和半径为R的四分之一光滑圆弧BC组成,滑板静止于光滑的水平地面上。物体P(可视为质点)置于滑板上面的A点,物体P与滑板水平部分的动摩擦因数为()。一根长度为L、不可伸长的细线,一端固定于O′点,另一端系一质量为m0的小球Q。小球Q位于最低点时与物体P处于同一高度并恰好接触。现将小球Q拉至与O′同一高度(细线处于水平拉直状态),然后由静止释放,小球Q向下摆动并与物体P发生弹性碰撞(碰撞时间极短)。设物体P的质量为m,滑板的质量为2m。
(1)求小球Q与物体P碰撞前瞬间细线对小球拉力的大小;
(2)若物体P在滑板上向左运动从C点飞出,求飞出后相对C点的最大高度;
(3)要使物体P在相对滑板反向运动过程中,相对地面有向右运动速度,求的取值范围。
【答案】(1);(2);(3)
【解析】(1)小球Q在下落过程中机械能守恒,因此有
在最低点对小球Q牛顿第二定律可得
联立解得
(2)小球Q和物块P发生弹性碰撞,则机械能和动量守恒,因此
,
解得
物体和滑板在水平方向上不受力,则水平方向动量守恒
由能量守恒可得
物体离开滑板后两物体水平方向都做匀速直线运动,因此水平相对位置不变,竖直方向
联立可得
(3)要求P有相对地面向右的速度,说明P要滑到曲面上再返回运动,物块P相对滑板反方向运动过程中,可以知道当再次回到B点时两者的速度最大,此时P有向右运动的速度即可,因此再次回到B时水平方向动量守恒可得
由能量守恒可得
联立可得方程
因物体要经过B点,因此要求判别式大于零,速度向右说明结果要小于零;则
满足不等式即,
则
联立可得
2、(2021年海南省普通高中学业水平选择性考试)如图,一长木板在光滑的水平面上以速度向右做匀速直线运动,将一小滑块无初速地轻放在木板最右端。已知滑块和木板的质量分别为m和,它们之间的动摩擦因数为,重力加速度为g.
(1)滑块相对木板静止时,求它们的共同速度大小;
(2)某时刻木板速度是滑块的2倍,求此时滑块到木板最右端的距离;
(3)若滑块轻放在木板最右端的同时,给木板施加一水平向右的外力,使得木板保持匀速直线运动,直到滑块相对木板静止,求此过程中滑块的运动时间以及外力所做的功.
【解析】(1)滑块和木板组成的系统动量守恒,2mv0=(m+2m)v,
解得v=2v0/3。
(2)某时刻木板速度是滑块的2倍,滑块和木板组成的系统,动量守恒,
2mv0= mv1+2 mv2,
能量守恒定律,有 μmg△x=·2mv02-(mv12+·2 mv22),
其中v2=2 v1,
解得:△x=,
(3)对于滑块有 μmgt= mv0,
对于木板匀速有F=μmg
木板运动的位移 x=v0t,
W=Fx,
解得t=,W= mv02。
3、(2021年山东省普通高中学业水平选择性考试)海鸥捕到外壳坚硬的鸟蛤(贝类动物)后,有时会飞到空中将它丢下,利用地面的冲击打碎硬壳。一只海鸥叼着质量的鸟蛤,在的高度、以的水平速度飞行时,松开嘴巴让鸟蛤落到水平地面上。取重力加速度,忽略空气阻力。
(1)若鸟蛤与地面的碰撞时间,弹起速度可忽略,求碰撞过程中鸟蛤受到的平均作用力的大小F;(碰撞过程中不计重力)
(2)在海鸥飞行方向正下方的地面上,有一与地面平齐、长度的岩石,以岩石左端为坐标原点,建立如图所示坐标系。若海鸥水平飞行的高度仍为,速度大小在之间,为保证鸟蛤一定能落到岩石上,求释放鸟蛤位置的x坐标范围。
【解析】.(1)设平抛运动的时间为t,鸟蛤落地前瞬间的速度大小为v,竖直方向分速度大小为,根据运动的合成与分解得 ①
②
③
在碰撞过程中,以鸟蛤为研究对象,取速度v的方向为正方向,由动量定理得
④
联立①②③④式,代入数据得 ⑤
(2)若释放鸟蛤的初速度为,设击中岩石左端时,释放点的x坐标为x1,击中右端时,释放点的x坐标为,得 ⑥
⑦
联立①⑥⑦式,代入数据得
⑧
若释放鸟蛤时的初速度为,设击中岩石左端时,释放点的x坐标为,击中右端时,释放点的x坐标为,得 ⑨
⑩
联立①⑨⑩式,代入数据得 ⑪
综上得x坐标区间或 ⑫
4、(2020年天津市高考物理试卷)长为l的轻绳上端固定,下端系着质量为的小球A,处于静止状态。A受到一个水平瞬时冲量后在竖直平面内做圆周运动,恰好能通过圆周轨迹的最高点。当A回到最低点时,质量为的小球B与之迎面正碰,碰后A、B粘在一起,仍做圆周运动,并能通过圆周轨迹的最高点。不计空气阻力,重力加速度为g,求
(1)A受到的水平瞬时冲量I的大小;
(2)碰撞前瞬间B的动能至少多大?
【答案】(1);(2)
【解析】(1)A恰好能通过圆周轨迹的最高点,此时轻绳的拉力刚好为零,设A在最高点时的速度大小为v,由牛顿第二定律,有①
A从最低点到最高点的过程中机械能守恒,取轨迹最低点处重力势能为零,设A在最低点的速度大小为,有②
由动量定理,有③
联立①②③式,得④
(2)设两球粘在一起时速度大小为,A、B粘在一起后恰能通过圆周轨迹的最高点,需满足
⑤
要达到上述条件,碰后两球速度方向必须与碰前B的速度方向相同,以此方向为正方向,设B碰前瞬间的速度大小为,由动量守恒定律,有⑥
又⑦
联立①②⑤⑥⑦式,得碰撞前瞬间B的动能至少为⑧
5、(2021·江苏省如皋市高三上第三次月考)如图所示为某工地一传输工件的装置,AB为一段足够大且竖直固定的1/4圆弧轨道,BC为一段足够长的水平轨道,CD为一竖直固定的半径r=0.25m的1/4圆弧轨道,假设三段轨道均光滑。一长度为L=2m、质量为M=2kg的平板小车停在BC轨道的最左端,小车上表面刚好与AB、CD轨道最低点平齐。一可视为质点、质量为m=2kg的工件从距AB轨道最低点高度为h处从静止开始沿轨道滑下,滑上小车后带动小车向右运动,小车与C点碰后瞬间停在C处。工件只有从车上滑到CD轨道上并从D点飞出,才能被站在台面DE上的工人接住。工件与小车间的动摩擦因数为滋=0.5,取g=10m/s2,求:
(1)工件从圆弧A点滑到B点时对圆轨道的压力为多大;
(2)工件刚好可在小车最右端与车相对静止,工件释放高度h为多少;
(3)要使工件能被站在台面DE上的工人接住,则h的取值范围为多少。
【解析】(1)工件下滑,根据机械能守恒得:
在B点,由牛顿第二定律得:FN-mg=
联立解得:FN=60N
由牛顿第三定律知,工件在B点时对轨道的压力:F′N=FN=60N
(2)设工件从h下滑,根据机械能守恒得:①
工件滑上小车到共速,由动量守恒得:mv1=(m+M)v2②
该过程摩擦生热:③
联立①②③代入数据解得:h=2m
(3)工件从最低点h′下滑刚好可过D点,下滑过程:④
工件与车共速,由动量守恒得:mv3=(m+M)v4⑤
工件与车摩擦生热:⑥
工件在CD间运动,根据机械能守恒得:⑦
联立④⑤⑥⑦并代入数据解得h′=m
可见,应使h满足:m<h≤2m
6、(2020·山西省临汾市高三上学期第二次月考)如图所示,一质量为m的长直木板放在光滑的水平地面上,木板左端放有一质量为km的木块,木块与木板间的动摩擦因数为,在长直木板右方有一坚直的墙.使木板与木块以共同的速度v0向右运动,某时刻木板与墙发生弹性碰撞(碰撞时间极短),设木板足够长,木块始终在木板上.重力加速度为g.求:
(1)碰后,木块与木板第一次相对静止时的速度大小;
(2)木板从第一次与墙碰撞到再次碰撞所经历的时间;
(3)分析k的取值是如何影响第(2)问中求出的时间的.
【答案】(1)(2)(3)由t=知:只由当k>1时,才能发生两次碰撞;在k>1的范围内,随着k的增加,时间t越来越小;反之,随着k的减小,时间t越来越大.
【解析】(1)第一次与墙碰撞后,木板的速度反向,大小不变,此后木板向左做匀减速运动,木块向右做匀减速运动,最沿木板和重物达到一共同的速度v,由动量守恒得
kmv0-mv0=(km+m)v.
解得
(2)设木板的加速度为a,由牛顿第二定律得μkmg= ma
设从第一次与墙碰撞到木块和木板具有共同速度v所用的时间为t1
v=-v0+at1
在达到共同速度v时,木板离墙的距离l为l=
开始向右做匀速运动到第二次与墙碰撞的时间为t2=
从第一次碰撞到笫二次碰撞所经过的时间为t=t1+t2
由以上各式得
(3)由知:只由当k>1时,才能发生两次碰撞.
在k>1的范围内,随着k的增加,时间t越来越小;反之,随着k的减小,时间t越来越大.
7、(2021·湖南省株洲市高三教学质量统一检测)如图所示,光滑水平面上有一上表面水平的小车B,其右端固定一沙箱,沙箱的左壁外连接一水平的轻质弹簧,小车与沙箱的总质量为M=2kg.车上在沙箱左侧距其左壁s=1m的位置上放有一质量为m=1kg小物块A(可视为质点),A与小车上表面间的动摩擦因数为μ=0.1.仅在沙面上方空间存在水平向右的匀强电场,电场强度大小为E= 2×l03V/m.当物块A随小车以大小为v0=10m/s的水平速度向右做匀速直线运动时,距沙面H=5m高处有一质量为m0=2kg,带电荷量为q=1×10-2C的带正电小球C,被以大小为u0=10m/s的初速度水平向左抛出,最终落入沙箱中并陷入沙里.己知小球与沙箱的相互作用时间极短,且忽略弹費最短时的长度,并取重力加速度g=10m/s2.求:
(1)小球落入沙箱时的水平速度大小vx;
(2)小车在前进过程中,弹簧具有的最大弹性势能Ep;
(3)设小车左端与沙箱左壁的距离为L,请分析讨论物块A相对小车向左运动的过程中,其与小车摩擦产生的热量Q与L的关系式.(注:关系式中只能保留Q与L两个字母)
【答案】(1)vx=0 (2)Ep=9J (3)当时,;当时, (国际单位)
【解析】(1)设小球在空中运动的时间为t,水平方向的加速度大小为a,
小球抛出后,在竖直方向有
水平方向有
水平方向由牛顿第二定律有
联立解得 vx =0
(2)以水平向右为正方向,设小球落入沙箱后瞬间,车与球的共同速度为v1,在小球落入沙箱过程,对车和球由水平方向动量守恒有:
设弹簧压缩至最短时小车与A的共同速度为v2,从球落入沙箱后瞬间到小车与A共速,对小车(含小球)与A分别由动量守恒和机械能守恒有:
且此过程由于摩擦产生的热量为:
代入数据联立解得:Ep=9J
(3)若A与弹簧分离后恰好运动至车左端时与车相对静止,由(1)可知,小车与A的共同速度仍为:v2=6m/s
从弹簧压缩最短到A与车相对静止,由能量守恒有:
解得此情况下小车左端与沙箱左壁距离为
当时,A停在距离沙箱左壁处,故有:
数据代入解得:
当时,A最终会从小车的左端滑下,故有:
数据代入解得: (国际单位)
8、(2020·黑龙江省大庆中学高三下学期开学考试)如右图所示,P为位于某一高度处的质量为m的物块,B为位于水平地面上的质量为M的特殊长平板,,平板与地面间的动摩擦因数为μ=2.00×10-2。 在板的上表面上方,存在一定厚度的“相互作用区域”,如图中划虚线的部分,当物块P进入相互作用区时,B便有竖直向上的恒力f作用于P, f=αmg,α=51,f对P的作用使P刚好不与B的上表面接触;在水平方向P、B之间没有相互作用力. 已知物块P开始自由落下的时刻,板B向右的速度为V0=10.0m/s. P从开始下落到刚到达相互作用区所经历的时间为T0=2.00s。 设B板足够长,保证物块P总能落入B板上方的相互作用区,取重力加速度g=9.80m/s2。
问:当B开始停止运动那一时刻,P已经回到过初始位置几次?
【解析】根据题意,在物块P从开始下落至刚进入相互作用区的时间T0内,板在摩擦力作用下的加速度A0=
板速度的减少量ΔV1=A0 T0
物块P一旦进入相互作用区,便受到板的向上作用力,因而做减速运动,物块P刚进入相互作用区的速度v0=g T0
设在相互区内物块P做减速运动的加速度为a,则由题给的条件可知a= ④
经历时间T,物块刚要到达B板上表面,则有v0=g T
在T时间内,B板受到的摩擦力为(μMg+αmg),在摩擦力作用下的B板加速度A=
在这段时间内,B板速度的减少量ΔV2=AT
当物块P的加速度减到零后,又开始以加速度a向上加速运动,经历时间T,跑出相互作用区,在这段时间内,B板减少的速度仍是ΔV2;物块P离开相互作用区后,做加速度为g的减速运动,经历时间T0,回到初始位置,在这段时间内,B板减少的速度为ΔV1,以后物块又以从开起始位置自由落下,重复以前的运动,B板的速度再次减少。总结以上分析可知:每当物块P完成一次从起始位置自由下落,进入相互作用区后又离开相互作用区,最后回到起始位置的过程中,B板速度减少的总量为ΔV=2ΔV1+2ΔV2
由上面各式可得ΔV=2μgT0+2Mg(1+α)T
设在物块P第n次回到起始位置时刻,B板的速度为Vn,则有Vn=V0-2nμgT0+2nμg(1+α)T0
n越大,Vn越小。设当n=n0时,vn0十分小,致使在物块P由n=n0到n=n0+1的过程中的某一时刻,B板的速度已减为零,若仍用⑩式,这表示n=n0时vn0>0
当n=n0+1时vn0+1<0
即有 V0-2n0μgT0+2n0 Mg(1+α)T0>0
V0-2(n0+1)μgT0+2(n0+1) Mg(1+α)T0<0
或有n0<
n0>
代入有关数据,得n0<11.37 n0>10.37
因为n0为整数,故有n0=11
即当B开始停止运动的那一时刻,P已经回到过初始位置11次。
9、(2021·辽宁师大附中模拟)如图所示,倾角θ=30°的光滑斜面底端固定一块垂直于斜面的挡板。将长木板A静置于斜面上,A上放置一小物块B,初始时A下端与挡板相距L=4 m,现同时无初速度释放A和B。已知在A停止运动之前B始终没有脱离A且不会与挡板碰撞,A和B的质量均为m=1 kg,它们之间的动摩擦因数μ=,A或B与挡板每次碰撞损失的动能均为ΔE=10 J,忽略碰撞时间,重力加速度大小g取10 m/s2。求:
(1)A第一次与挡板碰撞前瞬间的速度大小v。(结果可以用根式表示)
(2)A第一次与挡板碰撞到第二次与挡板碰撞的时间Δt。(结果可以用根式表示)
(3)B相对于A滑动的可能最短时间t。(结果可以用根式表示)
【答案】(1)2 m/s (2) s (3) s
【解析】
(2)第一次碰后,对B有:mgsinθ=μmgcosθ
故B匀速下滑 ③
对A有:mgsinθ+μmgcosθ=ma1 ④
解得:a1=10 m/s2,方向始终沿斜面向下 ⑤
设A第1次反弹的速度大小为v1,由功能关系得:mv2-m=ΔE ⑥
Δt= ⑦
由⑥⑦式得:Δt= s⑧学科¥网
由式得B沿A向上做匀减速运动的时间:
t2== s
当B速度为0时,因mgsinθ=μmgcosθ≤Ffm,B将静止在A上,当A停止运动时,B恰好匀速滑至挡板处,B相对A运动的时间t最短,故:t=Δt+t2= s
10、(2020·吉林省吉林市高三下第四次调研)一辆质量m=2千克的平板车左端放有质量M=3千克的小滑块,滑块与平板车之间的摩擦系数μ=0.4.开始时平板车和滑块共同以v0=2米/秒的速度在光滑水平面上向右运动,并与竖直墙壁发生碰撞,设碰撞时间极短且碰撞后平板车速度大小保持不变,但方向与原来相反.平板车足够长,以至滑块不会滑到平板车右端.(取g=10米/秒2)求:
(1)平板车第一次与墙壁碰撞后向左运动的最大距离.
(2)平板车第二次与墙壁碰撞前瞬间的速度v.
(3)为使滑块始终不会滑到平板车右端,平板车至少多长?
【解析】设第一次碰墙壁后,平板车向左移动S,速度变为0.由于体系总动量向右,平板车速度为零时,滑块还在向右滑行.由动能定理得:-μMgS=0-
S=
代入数据得:S=0.33
(2)假如平板车在第二次碰墙前还未和滑块相对静止,那么其速度的大小肯定还是2米/秒,滑块的速度则大于2米/秒,方向均向右.这样就违反动量守恒.所以平板车在第二次碰墙前肯定已和滑块具有共同速度v.此即平板车碰墙前瞬间的速度.Mv0-mv0=(M+m)v
v=
代入数据得:v=0.4m/s
(3)平板车与墙壁第一次碰撞后到滑块与平板车又达到共同速度v前的过程,可用图(a)(b)(c)表示,图(a)为平板车与墙碰撞后瞬间滑块与平板车的位置,图(b)为平板车到达最左端时两者的位置,图(C)为平板车与滑块再次达到共同速度时两者的位置.在此过程中滑块动能减少等于摩擦力对滑块所做功uMgS',平板车动能减少等于摩擦力对平板车所做μMgS〃(平板车从B到A再回到B的过程中摩擦力做功为零),其中S'、S〃分别为滑块和平板车的位移.滑块和平板车动能总减少为μMgl,其中l1=S'+S〃为滑块相对平板车的位移.此后,平板车与墙壁发生多次碰撞,每次情况与此类似,最后停在墙边.设滑块相对平板车总位移为l,则有
=μMgl
l=
代入数据得:l=0.833m⑨
l即为平板车的最短长度。
11、(2020·江苏省镇江市高三上学期期末)如图所示,固定的凹槽水平表面光滑,其内放置U形滑板N,滑板两端为半径R=0.45 m的1/4圆弧而,A和D分别是圆弧的端点,BC段表面粗糙,其余段表面光滑,小滑块P1和P2的质量均为m,滑板的质量M=4 m.P1和P2与BC面的动摩擦因数分别为和,最大静摩擦力近似等于滑动摩擦力,开始时滑板紧靠槽的左端,P2静止在粗糙面的B点,P1以v0=4.0 m/s的初速度从A点沿弧面自由滑下,与P2发生弹性碰撞后,P1处在粗糙面B点上,当P2滑到C点时,滑板恰好与槽的右端碰撞并与槽牢固粘连,P2继续滑动,到达D点时速度为零,P1与P2视为质点,取g=10 m/s2.问:
(1)P2在BC段向右滑动时,滑板的加速度为多大?
(2)BC长度为多少?N、P1和P2最终静止后,P1与P2间的距离为多少?
【解析】(1)P1滑到最低点速度为,由机械能守恒定律有:
解得:
P1、P2碰撞,满足动量守恒,机械能守恒定律,设碰后速度分别为、
解得: =5m/s
P2向右滑动时,假设P1保持不动,对P2有:(向左)
对P1、M有:
此时对P1有:,所以假设成立。
(2)P2滑到C点速度为,由 得
P1、P2碰撞到P2滑到C点时,设P1、M速度为v,对动量守恒定律:
解得:
对P1、P2、M为系统:
代入数值得:
滑板碰后,P1向右滑行距离:
P2向左滑行距离:
所以P1、P2静止后距离:
12、(2020·陕西省渭南市高三下教学质量检测)如图,长木板ab的b端固定一档板,木板连同档板的质量为M=4.0kg,a、b间距离s=2.0m。木板位于光滑水平面上。在木板a端有一小物块,其质量m=1.0kg,小物块与木板间的动摩擦因数,它们都处于静止状态。现令小物块以初速沿木板向前滑动,直到和档板相撞。碰撞后,小物块恰好回到a端而不脱离木板。求碰撞过程中损失的机械能。
【解析】设木块和物块最后共同的速度为v,由动量守恒定律: ①
设全过程损失的机械能为E,则: ②
用s1表示从物块开始运动到碰撞前瞬间木板的位移,W1表示在这段时间内摩擦力对木板所做的功。用W2表示同样时间内摩擦力对物块所做的功。用s2表示从碰撞后瞬间到物块回到a端时木板的位移,W3表示在这段时间内摩擦力对木板所做的功。用W4表示同样时间内摩擦力对物块所做的功。用W表示在全过程中摩擦力做的总功,则W1= ③
W2= ④
W3= ⑤
W4= ⑥
W=W1+W2+W3+W4 ⑦
用E1表示在碰撞过程中损失的机械能,则E1=E-W ⑧
由①—⑧式解得 ⑨
代入数据得:E1=2.4J ⑩
13、(2020·四川省乐山市高三下第三次调研)一段凹槽A倒扣在水平长木板C上,槽内有一小物块B,它到槽两侧的距离均为,如图所示。木板位于光滑水平的桌面上,槽与木板间的摩擦不计,小物块与木板间的摩擦系数为μ。A、B、C三者质量相等,原来都静止。现使槽A以大小为v0的初速向右运动,已知。当A和B发生碰撞时,两者速度互换。求:
(1)从A、B发生第一次碰撞到第二次碰撞的时间内,木板C运动的路程。
(2)在A、B刚要发生第四次碰撞时,A、B、C三者速度的大小。
【解析】 (1)A与B刚发生第一次碰撞后,A停下不动,B以初速v0向右运动。由于摩擦,B向右作匀减速运动,而C向右作匀加速运动,两者速率逐渐接近。设B、C达到相同速度v1时B移动的路程为s1.设A、B、C质量皆为m,由动量守恒定律,得:mv0=2mv1
由功能关系,得:μmg=
由①得:v1=v0
代人②式,得: s1=
根据条件v0<得: s1<
可见,在B、C达到相同速度v1时,B尚未与A发生第二次碰撞。B与C一起将以v1向右匀速运动一段距离(l-s1)后才与A发生第二次碰撞。设C的速度从零变到v1的过程中,C的路程为s2。由功能关系,得:
μmgs2=解得:s2=
因此在第一次到第二次碰撞间C的路程为:s=s2+l-s1=l-
(2)由上面讨论可知,在刚要发生第二次碰撞时,A静止,B、C的速度均为v1.刚碰撞后,B静止,A、C的速度均为v1.由于摩擦,B将加速,C将减速,直至达到相同速度v2.由动量守恒定律,得:
mv1=2mv2 解得:v2=
因A的速度v1大于B的速度v2,故第三次碰撞发生在A的左壁。刚碰撞后,A的速度变为v2,B的速度变为v1,C的速度仍为v1。由于摩擦,B减速,C加速,直至达到相同速度v3。由动量守恒定律,得:
mv1+mv2=2mv3 解得:v3=
故刚要发生第四次碰撞时,A、B、C的速度分别为:vA=v2=
vB=vC=
14. (2020·广西柳州高三下学期4月线上模拟)光滑水平地面上,人与滑板A一起以v0=0.5m/s的速度前进,正前方不远处有一横杆,横杆另一侧有一静止滑板B,当人与A行至横杆前,人相对滑板竖直向上起跳(起跳瞬间人与A的水平速度都不发生改变)越过横杆,A从横杆下方通过并与B发生弹性碰撞,之后人刚好落到B上,不计空气阻力,求最终人与B共同速度是多少?已知m人=40kg,mA=5kg,mB=10kg.
【答案】m/s。
【解析】人跳起后A与B碰撞前后动量守恒,机械能守恒,
设碰后A的速度v1,B的速度为v2,
则:mAv0=mAv1+mBv2;
解得:m/s;
人下落与B作用前后,水平方向动量守恒,设共同速度v3,
m人v0+mBv2=(m人+mb)v3
代入数据得:v3=m/s。