一倾角为θ=45o的斜面固定于地面,斜面顶端离地面的高度h0=1m,斜面底端有一垂直于斜面的固定挡板。在斜面顶端自由释放一质量为m=0.09kg的小物块(视为质点)。小物块与斜面之间的动摩擦因数为μ=0.2。当小物块与挡板碰撞后,将以原速返回。重力加速度g=10m/s2。在小物块与挡板的前4次碰撞过程中,挡板给予小物块的总冲量是多少?
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我们解题的思路,往往都要从题目需要我们计算的量出发。题目要我们算的是——挡板给予小物块的4次总冲量。那么我们先来分析第一次碰撞过程的冲量
假设第i次碰前小物块速度为v(i)(方向沿着斜面向下),由于碰撞时间δt非常小(也可以写成δt-0),常规力如重力、摩擦力的冲量忽略不计。由冲量定理得:
I(i)=mv(i)-m(-v(i))=2mv(i),(其中i=1,2,3,4)
因此4次总冲量只要计算出4次碰前的速度即可。
下滑运动--受力分析先对下滑运动进行受力分析(上图)。
运动学上来讲,小物块在重力的斜面方向分力与摩擦力共同作用下,由初始速度0开始加速下滑。设加速度为a1,则由牛二定律
ma=mgsinθ-μN
垂直斜面方向受力平衡
N=mgcosθ
这样,我们知道下滑运动是一个匀加速直线运动,
加速度
a1=gcosθ(tanθ-μ)=0.8gcosθ
上滑运动--受力分析再看上滑运动,小物块的受力分析如上图。则沿着斜面方向,由牛二定律得
-ma2=mgsinθ-μN
垂直小物块方向受力平衡得
N=mgcosθ
因此上滑时的加速度
a2=-gcosθ(tanθ+μ)=-1.2gcosθ
之所以是“-”号,表示加速度方向与运动方向相反。
v-t图线我们把运动过程的速度v与时间t的关系通过上图来表示。
t轴上面的上行段曲线就是小物块下滑的过程;
t轴下方的曲线就是小物块在被木板碰撞后速度反转然后上滑的过程,直到碰到t轴,其上滑运动结束,接着又进入下滑阶段。如此往复!
[1]先看图中斜率关系,
a1:a2=0.8gcosθ/1.2gcosθ=2:3
[2]且看图中两个阴影部分S1.2和S2.1,他们面积相等!这是因为S1.2是上滑的行程,S2.1是从S1.2的重点开始下滑直到碰到木板的行程。
S1.2=S2.1
那么三角形面积S1.2怎么计算呢?
三角形高
h=v(1),
由于已知斜率a2,那么三角形底边长
δt1.2=v(1)/a1
则
S1.2=[v(1)]^2/2a1
类似的,
S2.1=[V(2)]^2/2a2
从而我们可得第1次和第2次碰撞的速率关系:
q=v(2)/v(1)=(a1/a2)^(1/2)=(2/3)^(1/2)
类似地,我们可以发现这些碰撞速度可以组成一个以q为比的等比数列。
于是,总冲量
I(4)=2mv(1)(1+q+q^2+q^3)=2mv(1)(q^4-1)/(q-1)
下面求第一次碰撞速度v1,由能量守恒定律
m[v(1)]^2/2=mgh0-μmgcosθ*L
从而因为θ=45°,所以
Lcosθ=Lsinθ=h
而
v(1)=(2*gh0(1-0.2))^(1/2)=4m/s
故,4次碰撞木板给小物块的总冲量
I(4)=2*0.09*4*(4/9-1)/((2/3)^(1/2)-1)=0.kg*m/s
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1受力分析,特别是摩擦力方向的判定一定要结合运动方向/运动趋势方向
2动力学(牛二定律)
3v-t图线。这个v-t图线是利器,这个v-t图线是利器,这个v-t图线是利器。重要的事情说三遍!