Question

3．光滑水平面上放有如圖所示的用絕緣材料制成的“┘”型滑板，（平面部分足夠長），質(zhì)量為4m，距滑板的A壁為L₁距離的B處放有一質(zhì)量為m，電量為+q的大小不計的小物體，物體與板面的摩擦系數(shù)為μ，qE=2μmg，整個裝置處于場強為E的水平勻強電場中，初始時刻，滑板與物體都靜止，試求：
（1）從小物體釋放到第一次與滑板A壁碰撞所需時間，及碰撞前小物體速度v₁的大小
（2）若小物體第一次與A壁碰后停止（碰撞過程時間極短），（相對水平面），則碰撞后滑板的速度v多大？
（3）從（2）問開始兩個物體再次碰撞前各自的速度是多少？（碰撞時間可忽略）

Answer 1

分析 （1）由牛頓第二定律可以求出加速度，由勻變速運動的位移公式、速度公式可以求出時間與速度．
（2）A、B碰撞過程系統(tǒng)動量守恒，由動量守恒定律可以求出環(huán)的速度．
（3）應用勻變速運動的位移公式與速度公式求出物體的速度．

解答 解：由牛頓第二定律得：對B：qE-μmg=ma_B，
解得：a_B=μg，對A：μmg=4ma_A，
解得：a_A=0.25μg；
（1）A、B都做初速度為零的勻加速直線運動，由勻變速直線運動的位移公式得：
對A：x_A=$\frac{1}{2}$a_At²=0.125μgt²，
對B：x_B=$\frac{1}{2}$a_Bt²=0.5μgt²，
由幾何關系可知：x_B=x_A+L₁，
解得：t=$\sqrt{\frac{{L}_{1}}{3.75μ}}$，
v_A=a_At=$\sqrt{\frac{5μ{L}_{1}}{3}}$，
v_B=a_Bt=$\sqrt{\frac{80μ{L}_{1}}{3}}$；
（2）A、B碰撞過程系統(tǒng)動量守恒，以向右為正方向，由動量守恒定律得：
4mv_A+mv_B=4mv，
解得：v=2$\sqrt{\frac{5μ{L}_{1}}{3}}$；
（3）碰撞后A向右做勻減速直線運動，B向右做勻加速直線運動，
對A：x_A′=vt′-$\frac{1}{2}$a_At′²，
對B：x_B′=$\frac{1}{2}$a_Bt′²，
再次碰撞時：x_A′=x_B′，
解得：t′=$\frac{8}{25}$$\sqrt{\frac{5{L}_{1}}{3μ}}$，
v_A′=v-a_At′=6$\sqrt{\frac{μ{L}_{1}}{15}}$，
v_B′=a_Bt′=16$\sqrt{\frac{μ{L}_{1}}{15}}$；
答：（1）從小物體釋放到第一次與滑板A壁碰撞所需時間為$\sqrt{\frac{{L}_{1}}{3.75μ}}$，碰撞前小物體速度v₁的大小為$\sqrt{\frac{80μ{L}_{1}}{3}}$；
（2）若小物體第一次與A壁碰后停止（碰撞過程時間極短），碰撞后滑板的速度v為2$\sqrt{\frac{5μ{L}_{1}}{3}}$；
（3）從（2）問開始兩個物體再次碰撞前各自的速度分別是6$\sqrt{\frac{μ{L}_{1}}{15}}$、16$\sqrt{\frac{μ{L}_{1}}{15}}$．

點評 本題是一道力學綜合題，物體運動過程復雜，本題難度較大，分析清楚物體運動過程是正確解題的前提與關鍵，應用牛頓第二定律、運動學公式、動量守恒定律可以解題；解題時要注意：兩物體碰撞時內(nèi)力遠大于外力，系統(tǒng)動量守恒，可以應用動量守恒定律解題．