Question

如圖所示，水平傳送帶AB長l=8.3m，質(zhì)量為M=1kg的木塊隨傳送帶一起以v₁=2m/s的速度向左勻速運(yùn)動（傳送帶的傳送速度恒定），木塊與傳送帶間的動摩擦因數(shù)μ=0.5．當(dāng)木塊運(yùn)動至最左端A點(diǎn)時(shí)，一顆質(zhì)量為m=20g的子彈以v=300m/s水平向右的速度正對射入木塊并穿出，穿出速度v=50m/s，以后每隔1s就有一顆子彈射向木塊，設(shè)子彈射穿木塊的時(shí)間極短，且每次射入點(diǎn)各不相同，g取10m/s²．求：
（1）在被第二顆子彈擊中前，木塊向右運(yùn)動離A點(diǎn)的最大距離？
（2）木塊在傳達(dá)帶上最多能被多少顆子彈擊中？
（3）從第一顆子彈射中木塊到木塊最終離開傳送帶的過程中，子彈、木塊和傳送帶這一系統(tǒng)產(chǎn)生的熱能是多少？

Answer 1

【答案】分析：（1）根據(jù)動量守恒定律求出子彈穿過木塊的瞬間，木塊的速度，結(jié)合牛頓第二定律和運(yùn)動學(xué)公式求出在被第二顆子彈擊中前，木塊向右運(yùn)動離A點(diǎn)的最大距離．
（2）根據(jù)運(yùn)動學(xué)公式求出子彈被一顆子彈擊中到下一顆子彈擊中，這段時(shí)間內(nèi)的位移，從而確定最多能被多少顆子彈擊中．
（3）根據(jù)功能關(guān)系求出被一顆子彈擊中到下一顆子彈擊中這段時(shí)間內(nèi)所產(chǎn)生的熱量，包括子彈擊穿木塊的過程中產(chǎn)生的內(nèi)能，與傳送帶發(fā)生相對滑動產(chǎn)生的內(nèi)能，從而得出子彈、木塊和傳送帶這一系統(tǒng)產(chǎn)生的總熱量．
解答：解：（1）第一顆子彈射入木塊過程中動量守恒mv-Mv₁=mv+Mv₁′…①
解得：v₁′=3m/s…②
木塊向右作減速運(yùn)動加速度：a=μg=5 m/s²…③
木塊速度減小為零所用時(shí)間：…④
解得：t₁=0.6s＜1s…⑤
所以木塊在被第二顆子彈擊中前向右運(yùn)動離A點(diǎn)最遠(yuǎn)時(shí)，速度為零，移動距離為
解得：s₁==0.9m…⑥
（2）在第二顆子彈射中木塊前，木塊再向左作加速運(yùn)動，時(shí)間t₂=1s-0.6s=0.4s   ⑦
速度增大為：v₂=at₂=2m/s（恰與傳送帶同速）…⑧
向左移動的位移為：…⑨
所以兩顆子彈射中木塊的時(shí)間間隔內(nèi)，木塊總位移：s=s₁-s₂=0.5m方向向右
第16顆子彈擊中前，木塊向右移動的位移為：s=15×0.5m=7.5m
第16顆子彈擊中后，木塊將會再向右先移動0.9m，總位移為0.9m+7.5=8.4m＞8.3m木塊將從B端落下．
所以木塊在傳送帶上最多能被16顆子彈擊中．
（3）第一顆子彈擊穿木塊過程中產(chǎn)生的熱量為：
Q₁==647.5J．
木塊向右減速運(yùn)動過程中板對傳送帶的位移為：s′=v₁t₁+s₁
產(chǎn)生的熱量為：Q₂=μMgs′
木塊向左加速運(yùn)動過程中相對傳送帶的位移為：s″=v₁t₂-s₂
產(chǎn)生的熱量為：Q₃=μMgs″
第16顆子彈射入后木塊滑行時(shí)間為t₃有：
解得：t₃=0.4s 
木塊與傳送帶的相對位移為：s=v₁t₃+0.8 
產(chǎn)生的熱量為：Q₄=μMgs．
全過程中產(chǎn)生的熱量為：Q=15（Q₁+Q₂+Q₃）+Q₁+Q₄
解得：Q=14155.5J．
答：（1）在被第二顆子彈擊中前，木塊向右運(yùn)動離A點(diǎn)的最大距離為0.9m．
（2）木塊在傳達(dá)帶上最多能被16顆子彈擊中．
（3）子彈、木塊和傳送帶這一系統(tǒng)產(chǎn)生的熱能是14155.5J．
點(diǎn)評：此題綜合性非常強(qiáng)，既有動量守恒定律又有勻變速直線運(yùn)動，還有摩擦生熱，要求掌握物理知識要準(zhǔn)確到位，能夠靈活應(yīng)用．