Question

如圖所示，光滑水平面上靜止放置著一輛平板車A，車板總長為L．車上有兩個小滑塊B和C（都可視為質(zhì)點(diǎn)），B與車板之間的動摩擦因數(shù)為μ，而C與車板之間的動摩擦因數(shù)為2μ．開始時(shí)B、C分別從車板的左、右兩端同時(shí)以大小相同的初速度相向滑行．經(jīng)過一段時(shí)間，C、A的速度達(dá)到相等，此時(shí)C和B恰好發(fā)生碰撞．已知C和B發(fā)生碰撞時(shí)兩者的速度立刻互換，A、B、C三者的質(zhì)量都相等，重力加速度為g．設(shè)最大靜摩擦力大小等于滑動摩擦力．
（1）求C和B開始滑行時(shí)的初速度v₀的大小．
（2）已知滑塊C最后沒有脫離車板，求滑塊C最后與車達(dá)到相對靜止時(shí)處于車板上的位置．

Answer 1

解：（1）設(shè)A、B、C三者的質(zhì)量都為m，從開始到C、A的速度達(dá)到相等這一過程所需時(shí)間為t．
對C，由牛頓定律和運(yùn)動學(xué)規(guī)律有f_C=2μmg=ma_C
v_C=v₀-a_Ct
①
對A，由牛頓定律和運(yùn)動學(xué)規(guī)律有f_C-f_B=2μmg-μmg=ma_A
v_A=a_At=v_C
②
對B，由牛頓定律和運(yùn)動學(xué)規(guī)律有f_B=μmg=ma_B
v_B=v₀-a_Bt
③
C和B恰好發(fā)生碰撞，有S_C+S_B=L
由以上各式解得初速度 ④
A、B、C三者的位移和末速度分別為（向左），（向右），（向左） ⑤
（向左），（向右） ⑥
（2）C和B發(fā)生碰撞時(shí)兩者的速度立刻互換，則碰撞后C和B的速度各為（向右），（向左）
碰撞后B和A的速度相等，設(shè)B和A保持相對靜止一起運(yùn)動，此時(shí)對B和A整體有f_C=2μmg=2ma
隔離B，則B受到的摩擦力為f'_B=ma
可得f'_B=μmg，說明B和A保持相對靜止一起運(yùn)動． ⑦
設(shè)C最后停在車板上時(shí)，共同的速度為v_t，由動量守恒定律可得mv'_C-2mv'_B=3mv_t⑧
可得v_t=0
這一過程，對C，由動能定理有⑨
對B和A整體，由動能定理有⑩
解得C和A的位移分別是（向右），（向左） （11）
這樣，C先相對于車板向左移動，
然后又相對于車板向右移動，
恰好回到原來的位置．
即滑塊C最后停在車板右端．
答：（1）物體C和B開始滑行時(shí)的初速度v₀的大小均為．
（2）滑塊C最后與車達(dá)到相對靜止時(shí)處于車板上的最右端．
分析：（1）分別對A、B、C受力分析，根據(jù)牛頓第二定律求解出加速度；根據(jù)位移時(shí)間關(guān)系公式和速度時(shí)間關(guān)系公式分別列式，最后聯(lián)立求解即可；
（2）碰撞后B和A的速度相等，可以證明其保持相對靜止；根據(jù)動量守恒定律得到最后速度，然后根據(jù)動能定理分別對C和AB整體列式求解，得到相對位移．
點(diǎn)評：本題關(guān)鍵分析清楚三個物體的運(yùn)動規(guī)律，根據(jù)牛頓第二定律求解出各段的加速度，然后結(jié)合運(yùn)動學(xué)公式、動量守恒定律和空間關(guān)系列式并聯(lián)立求解，較難．