Question

某种弹射装置的示意图如图所示，光滑的水平导轨MN右端N处于倾斜传送带理想连接，传送带长度L=15.0m，皮带以恒定速率v=5m/s顺时针转动，三个质量均为m=1.0kg的滑块A、B、C置于水平导轨上，B、C之间有一段轻弹簧刚好处于原长，滑块B与轻弹簧连接，C未连接弹簧，B、C处于静止状态且离N点足够远，现让滑块A以初速度v₀=6m/s沿B、C连线方向向B运动，A与B碰撞后粘合在一起．碰撞时间极短，滑块C脱离弹簧后滑上倾角θ=37°的传送带，并从顶端沿传送带方向滑出斜抛落至地面上，已知滑块C与传送带之间的动摩擦因数μ=0.8，重力加速度g=10m/s²，sin37°=0.6，cos37°=0.8．

（1）滑块A、B碰撞时损失的机械能；

（2）滑块C在传送带上因摩擦产生的热量Q；

（3）若每次实验开始时滑块A的初速度v₀大小不相同，要使滑块C滑离传送带后总能落至地面上的同一位置，则v₀的取值范围是什么？（结果可用根号表示）

Answer

(1) (2) (3)

【解析】

试题（1）A、B碰撞过程水平方向的动量守恒，由此求出二者的共同速度；由功能关系即可求出损失的机械能；（2）A、B碰撞后与C作用的过程中ABC组成的系统动量守恒，应用动量守恒定律与能量守恒定律可以求出C与AB分开后的速度，C在传送带上做匀加速直线运动，由牛顿第二定律求出加速度，然后应用匀变速直线运动规律求出C相对于传送带运动时的相对位移，由功能关系即可求出摩擦产生的热量．（3）应用动量守恒定律、能量守恒定律与运动学公式可以求出滑块A的最大速度和最小速度．

（1）A与B位于光滑的水平面上，系统在水平方向的动量守恒，设A与B碰撞后共同速度为，选取向右为正方向，对A、B有：

碰撞时损失机械能

解得：

（2）设A、B碰撞后，弹簧第一次恢复原长时AB的速度为，C的速度为

由动量守恒得：

由机械能守恒得：

解得：

C以滑上传送带，假设匀加速的直线运动位移为x时与传送带共速

由牛顿第二定律得：

由速度位移公式得：

联立解得：x=11.25m＜L

加速运动的时间为t，有：

所以相对位移

代入数据得：

摩擦生热

（3）设A的最大速度为，滑块C与弹簧分离时C的速度为，AB的速度为，则C在传送带上一直做加速度为的匀减速直线运动直到P点与传送带共速

则有：

根据牛顿第二定律得：

联立解得：

设A的最小速度为，滑块C与弹簧分离时C的速度为，AB的速度为，则C在传送带上一直做加速度为的匀加速直线运动直到P点与传送带共速

则有：

解得：

对A、B、C和弹簧组成的系统从AB碰撞后到弹簧第一次恢复原长的过程中

系统动量守恒，则有：

由机械能守恒得：

解得：

同理得：

所以