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12.如圖所示,在水平地面上放置一塊質量為M的長平板B,在平板的上方某一高度處有一質量為m的物塊P由靜止開始落下.在平板上方附近存在“相互作用”的區(qū)域(如圖中虛線所示區(qū)域),當物塊P進入該區(qū)域內,B便會對P產生一個豎直向上的恒力f作用,使得P恰好不與B的上表面接觸,且f=kmg,其中k=11.在水平方向上P、B之間沒有相互作用力.已知平板與地面間的動摩擦因數(shù)μ=2.0×10-3,平板和物塊的質量之比$\frac{M}{m}$=10.在P開始下落時,平板B向左運動的速度v0=1.0m/s,P從開始下落到進入相互作用區(qū)域經歷的時間t0=2.0s.設平板B足夠長,保證物塊P總能落到B板上方的相互作用區(qū)域內,忽略物塊P受到的空氣阻力,取重力加速度g=10m/s2.求:
(1)物塊P從開始下落到再次回到初始位置所經歷的時間.
(2)從物塊P開始下落到平板B的運動速度減小為零的這段時間內,P能回到初始位置的次數(shù).

分析 (1)根據(jù)自由落體運動的公式求出物體P進入相互作用區(qū)域時的速度大小,結合牛頓第二定律求出進入相互作用區(qū)域的加速度,通過運動學公式,抓住運動的對稱性求出物塊P從開始下落到再次回到初始位置所經歷的時間.
(2)根據(jù)動量定律求出在一個周期內動量的變化量,得出速度的變化量,從而通過整個過程中速度的變化量求出物塊P開始下落到平板B的運動速度減小為零的這段時間內,P能回到初始位置的次數(shù).

解答 解:(1)物塊P進入相互作用區(qū)域時的速度為V1,則
v1=gt0=20m/s
物塊P從進入相互作用區(qū)域到速度減小為零的過程中,受到重力和平板的相互作用,設物塊在相互作用區(qū)域內的下落的加速度為a,根據(jù)牛頓第二定律:
kmg-mg=ma
設在相互作用區(qū)域內的下落時間為t,根據(jù)運動學公式
t=$\frac{{v}_{1}}{a}$
而物塊從開始下落到回到初始位置的時間
T=2(t+t0)=$\frac{2k}{k-1}$t0=4.4s.
(2)設在一個運動的周期T內,平板B的速度減小量為△v,根據(jù)動量定理有
μMg•2t0+μ(Mg+f)•2t=M△v
解得:
△v=$\frac{2μgk{t}_{0}(1+\frac{m}{M})}{k-1}$=9.7×10-3m/s.
P回到初始位置的次數(shù):
n=$\frac{{v}_{0}}{△v}$=10.3,
n應取整數(shù),即n=10.
答:(1)物塊P從開始下落到再次回到初始位置所經歷的時間為4.4s.
(2)從物塊P開始下落到平板B的運動速度減小為零的這段時間內,P能回到初始位置的次數(shù)為10.

點評 本題綜合考查了動量定理、牛頓第二定律、運動學公式等,綜合性較強,難度中等,需加強這類題型的訓練.

練習冊系列答案
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