Question

如圖17-1所示，Ａ、Ｂ是靜止在水平地面上完全相同的兩塊長木板．Ａ的左端和Ｂ的右端相接觸．兩板的質(zhì)量皆為M＝2．0ｋｇ，

長度皆為L＝1．0ｍ．Ｃ是質(zhì)量為ｍ＝1．0ｋｇ的小物塊．現(xiàn)給它一初速度ｖ₀＝2．0ｍ／ｓ，使它從板Ｂ的左端向右滑動．已知地面是光滑的，而Ｃ與板Ａ、Ｂ之間的動摩擦因數(shù)皆為μ＝0．10．求最后Ａ、Ｂ、Ｃ各以多大的速度做勻速運動．取重力加速度ｇ＝10ｍ／ｓ^２．

Answer 1

Ａ、Ｂ、Ｃ的速度分別為ｖ_Ａ＝ｖ₃＝0．563ｍ／ｓ，ｖ_Ｂ＝ｖ₂＝0．155ｍ／ｓ，ｖ_Ｃ＝ｖ_Ａ＝0．563ｍ／ｓ．

先假設(shè)小物塊Ｃ在木板Ｂ上移動ｘ距離后，停在Ｂ上．這時Ａ、Ｂ、Ｃ三者的速度相等，設(shè)為ｖ，由動量守恒得
ｍｖ₀＝（ｍ＋2Ｍ）ｖ，　　　　　①
在此過程中，木板Ｂ的位移為ｓ，小物塊Ｃ的位移為ｓ＋ｘ．由功能關(guān)系得
－μｍｇ（ｓ＋ｘ）＝（1/2）ｍｖ^２－（1/2）ｍｖ₀²，
μｍｇｓ＝2Ｍｖ²／2，
則　－μｍｇｘ＝（1/2）（ｍ＋2Ｍ）ｖ²－（1/2）ｍｖ₀²，②
由①、②式，得
ｘ＝［ｍｖ₀²／（2Ｍ＋ｍ）μｇ］，　　　　　　　　　�、�
代入數(shù)值得�。�＝1．6ｍ．　　　　　　　　　　　　　　�、�
ｘ比Ｂ板的長度大．這說明小物塊Ｃ不會停在Ｂ板上，而要滑到Ａ板上．設(shè)Ｃ剛滑到Ａ板上的速度為ｖ₁，此時Ａ、Ｂ板的速度為ｖ₂，則由動量守恒得
ｍｖ₀＝ｍｖ₁＋2Ｍｖ₂，　　　　　　　　　　　　　　　�、�
由功能關(guān)系，得（1/2）ｍｖ₀²－（1/2）ｍｖ₁^２－2×（1/2）ｍｖ₂^２＝μｍｇＬ，
以題給數(shù)據(jù)代入，得


由ｖ₁必是正值，故合理的解是


當滑到Ａ之后，Ｂ即以ｖ₂＝0．155ｍ／ｓ做勻速運動，而Ｃ是以ｖ₁＝1．38ｍ／ｓ的初速在Ａ上向右運動．設(shè)在Ａ上移動了ｙ距離后停止在Ａ上，此時Ｃ和Ａ的速度為ｖ₃，由動量守恒得
Ｍｖ₂＋ｍｖ₁＝（ｍ＋Ｍ）ｖ₃，
解得　�。�₃＝0．563ｍ／ｓ．
由功能關(guān)系得
（1/2）ｍｖ₁²＋（1/2）ｍｖ₂²－（1/2）（ｍ＋Ｍ）ｖ₃²＝μｍｇｙ，
解得　　　ｙ＝0．50ｍ．
ｙ比Ａ板的長度小，所以小物塊Ｃ確實是停在Ａ板上．最后Ａ、Ｂ、Ｃ的速度分別為ｖ_Ａ＝ｖ₃＝0．563ｍ／ｓ，ｖ_Ｂ＝ｖ₂＝0．155ｍ／ｓ，ｖ_Ｃ＝ｖ_Ａ＝0．563ｍ／ｓ．
評分標準　本題的題型是常見的碰撞類型，考查的知識點涉及動量守恒定律與動能關(guān)系或動力學和運動學等重點知識的綜合，能較好地考查學生對這些重點知識的掌握和靈活運動的熟練程度．題給數(shù)據(jù)的設(shè)置不夠合理，使運算較復雜，影響了學生的得分．從評分標準中可以看出，論證占的分值超過本題分值的50%，足見對論證的重視．而大部分學生在解題時恰恰不注重這一點，平時解題時不規(guī)范，運算能力差等，都是本題失分的主要原因．
解法探析　本題參考答案中的解法較復雜，特別是論證部分，①、②兩式之間的兩個方程可以省略．下面給出兩種較為簡捷的論證和解題方法．
解法一　從動量守恒與功能關(guān)系直接論證求解．設(shè)Ｃ剛滑到Ａ板上的速度為ｖ₁，此時Ａ、Ｂ板的速度為ｖ₂，則由動量守恒，得?
ｍｖ_０＝ｍｖ₁＋2Ｍｖ₂，
以系統(tǒng)為對象，由功能關(guān)系，得
1/2）ｍｖ₀²－（1/2）ｍｖ₁²－2×（1/2）ｍｖ₂²＝μｍｇＬ，
由于ｖ₁只能取正值，以題給數(shù)據(jù)代入得到合理的解為


由于小物塊Ｃ的速度ｖ₁大于Ａ、Ｂ板的速度ｖ₂，這說明小物塊Ｃ不會停在Ｂ板上．
以上過程既是解題的必要部分，又作了論證，比參考答案中的解法簡捷．后面部分與參考答案相同，不再綴述．
解法二　從相對運動論證，用動量守恒與功能關(guān)系求解．
以地面為參照系，小物塊Ｃ在Ａ、Ｂ上運動的加速度為ａ_Ｃ＝μｇ＝1ｍ／ｓ²，Ａ、Ｂ整體的加速度為ａ_ＡＢ＝μｍｇ／2Ｍ＝0．25ｍ／ｓ²，Ｃ相對Ａ、Ｂ的加速度ａ＝ａ_Ｃ＋ａ_ＡＢ＝1．25ｍ／ｓ²．假設(shè)Ａ、Ｂ一體運動，以Ａ、Ｂ整體為參照物，當Ｃ滑至與整體相對靜止時，根據(jù)運動學公式，有
ｖ₀²＝2ａｓ，
解得　　　�。螅剑�₀²／2ａ＝1．6ｍ＞Ｌ．
說明小物塊Ｃ不會停在Ｂ板上．