如图所示,一质量为m的平板车左端放有质量为M的滑块,滑块与平板车之间的动摩擦因数为μ开始时,平板车和滑块共同以速度v0沿光滑水平面向右运动,并与竖直墙壁发生碰撞,设碰撞时间

问题描述:

如图所示,一质量为m的平板车左端放有质量为M的滑块,滑块与平板车之间的动摩擦因数为μ开始时,平板车和滑块共同以速度v0沿光滑水平面向右运动,并与竖直墙壁发生碰撞,设碰撞时间极短,且碰撞后平板车速度大小保持不变,但方向与原来相反.平板车足够长,滑块不会滑出平板车右端,重力加速度为g.求:

(1)平板车第一次与墙壁碰撞后再次与滑块速度相同时,两者的共同速度;
(2)平板车第一次与墙壁碰撞后再次与滑块速度相同时,平板车右端距墙壁的距离.

(1)平板车与墙发生碰撞后以原速率弹回,此后平板车与木块所受的合外力为零,总动量守恒,取水平向右为正方向,则有
   Mv0-mv0=(m+M)v
解得v=

M−m
M+m
v0
当M>m,则v>0,方向向右.
当M<m,则v<0,方向向左.
(2)当M>m时,平板车与墙壁碰撞后先向左减速运动,后向右加速运动到与滑块速度相等,
设平板车向左运动的最大距离是x1,从最大距离处向右运动到速度与滑块速度相同时的距离为x2
由动能定理得:-μMgx1=0-
1
2
mv 20

μMgx2=
1
2
mv

平板车右端距离墙壁的距离为△x=x1-x2=
2m2v 20
μ(M+m)2g

当M<m,平板车一直减速到与滑块速度相等,
由动能定理得:-μMgx=
1
2
mv
-
1
2
mv 20

解得x=
2m2v 20
μ(M+m)2g

两种情况下,平板车第一次与墙壁碰撞后再次与滑块速度相同时,平板车右端距墙壁的距离相等,即x=△x=
2m2v 20
μ(M+m)2g

答:(1)平板车第一次与墙壁碰撞后再次与滑块速度相同时,两者的共同速度大小是
M−m
M+m
v
0

当M>m,则v>0,方向向右.当M<m,则v<0,方向向左.
(2)平板车第一次与墙壁碰撞后再次与滑块速度相同时,平板车右端距墙壁的距离是
2m2v 20
μ(M+m)2g