Question

【題目】某種彈射裝置的示意圖如圖所示，光滑的水平導軌MN右端N處于傾斜傳送帶理想連接，傳送帶長度L=15.0m，皮帶以恒定速率v=5m/s順時針轉動，三個質量均為m=1.0kg的滑塊A、B、C置于水平導軌上，B、C之間有一段輕彈簧剛好處于原長，滑塊B與輕彈簧連接，C未連接彈簧，B、C處于靜止狀態且離N點足夠遠，現讓滑塊A以初速度v0=6m/s沿B、C連線方向向B運動，A與B碰撞后粘合在一起．碰撞時間極短，滑塊C脫離彈簧后滑上傾角θ=37°的傳送帶，并從頂端沿傳送帶方向滑出斜拋落至地面上，已知滑塊C與傳送帶之間的動摩擦因數μ=0.8，重力加速度g=10m/s2 ， sin37°=0.6，cos37°=0.8．

（1）滑塊A、B碰撞時損失的機械能；
（2）滑塊C在傳送帶上因摩擦產生的熱量Q；
（3）若每次實驗開始時滑塊A的初速度v0大小不相同，要使滑塊C滑離傳送帶后總能落至地面上的同一位置，則v0的取值范圍是什么？（結果可用根號表示）

Answer 1

【答案】
（1）解；A與B位于光滑的水平面上，系統在水平方向的動量守恒，設A與B碰撞后共同速度為v1，選取向右為正方向，對A、B有：

mv0=2mv1…①

碰撞時損失機械能 …②

解得△E=9J

答：滑塊A、B碰撞時損失的機械能是9J；

（2）解；設A、B碰撞后，彈簧第一次恢復原長時AB的速度為vB，C的速度為vC．

由動量守恒：2mv1=2mvB+mvC…③

由機械能守恒： …④

解得：vc=4m/s

C以vc滑上傳送帶，假設勻加速的直線運動位移為S時與傳送帶共速，由運動學公有：

式

結合： ，

聯立解得：x=11.25m＜L

加速運動的時間為t，有： …⑤

所以相對位移△x=vt﹣x

代入數據得：△x=1.25m…⑥

摩擦生熱Q=umgcosθ△x=8J

答：滑塊C在傳送帶上因摩擦產生的熱量是8J；

（3）解；設A的最大速度為vmax，滑塊C與彈簧分離時C的速度為vc1，AB的速度為vB1，則C在傳送帶上一直做加速度為a2的勻減速直線運動直到P點與傳送帶共速，有： …⑦

加速度：

解得：

設A的最小速度為vmin，滑塊C與彈簧分離時C的速度為vC2，AB的速度為vB1，則C在傳送帶上一直做加速度為a1的勻加速直線運動直到P點與傳送帶共速，有： …⑧

解得： ．

對A、B、C和彈簧組成的系統從AB碰撞后到彈簧第一次恢復原長的過程中，有：

mvmax=2mvB1+mcC1…⑨

機械能守恒： …⑩

解得 ，

同理，

所以

答：若每次實驗開始時滑塊A的初速度v0大小不相同，要使滑塊C滑離傳送帶后總能落至地面上的同一位置，則v0的取值范圍是 ．

【解析】（1）滑塊A、B碰撞時滿足動量守恒根據動能的定義是直接列式求解。
（2）在彈簧第一次恢復原長的過程中滿足動量守恒和機械能守恒，滑塊在傳送帶上所產生的熱量等于滑動摩擦力和相對位移的乘積。
（3）分析物理過程根據臨界條件代入數值。注意物體的最大速度是與傳送的共速。
【考點精析】掌握功能關系和動量守恒定律是解答本題的根本，需要知道當只有重力（或彈簧彈力）做功時，物體的機械能守恒；重力對物體做的功等于物體重力勢能的減少:W G =E p1 -E p2；合外力對物體所做的功等于物體動能的變化:W 合 =E k2 -E k1 （動能定理）；除了重力（或彈簧彈力）之外的力對物體所做的功等于物體機械能的變化:W F =E 2 -E 1；動量守恒定律成立的條件：系統不受外力或系統所受外力的合力為零；系統所受的外力的合力雖不為零，但系統外力比內力小得多；系統所受外力的合力雖不為零，但在某個方向上的分量為零，則在該方向上系統的總動量的分量保持不變．