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E单元 功和能
E1 功和功率
2.[2014·重庆卷] 某车以相同的功 ( http: / / www.21cnjy.com )率在两种不同的水平路面上行驶,受到的阻力分别为车重的k1和k2倍,最大速率分别为v1和v2,则( )21·世纪*教育网
A.v2=k1v1 B.v2=v1 C.v2=v1 D.v2=k2v1
2.B [解析] 本题考查机车启动过程中功 ( http: / / www.21cnjy.com )率的相关知识.机车在不同的路面以相同的功率按最大速度行驶,可推断机车做匀速直线运动,受力平衡,由公式P=Fv,F=kmg,可推出P=k1mgv1=k2mgv2,解得v2=v1,故B正确,A、C、D错误.
E2 动能 动能定理
10. [2014·天津卷] 如图所示,水 ( http: / / www.21cnjy.com )平地面上静止放置一辆小车A,质量mA=4 kg,上表面光滑,小车与地面间的摩擦力极小,可以忽略不计.可视为质点的物块 B置于A的最右端,B的质量mB=2 kg.现对A施加一个水平向右的恒力F=10 N,A运动一段时间后,小车左端固定的挡板与B发生碰撞,碰撞时间极短,碰后A、B粘合在一起,共同在F的作用下继续运动,碰撞后经时间t=0.6 s,二者的速度达到vt=2 m/s.求: 21*cnjy*com
(1)A开始运动时加速度a的大小;
(2)A、B碰撞后瞬间的共同速度v的大小;
(3)A的上表面长度l.
10.(1)2.5 m/s2 (2)1 m/s (3)0.45 m
[解析] (1)以A为研究对象,由牛顿第二定律有
F=mAa①
代入数据解得
a=2.5 m/s2②
(2)对A、B碰撞后共同运动t=0.6 s的过程,由动量定理得
Ft=(mA+mB)vt-(mA+mB)v③
代入数据解得
v=1 m/s④
(3)设A、B发生碰撞前,A的速度为vA,对A、B发生碰撞的过程,由动量守恒定律有
mAvA=(mA+mB)v⑤
A从开始运动到与B发生碰撞前,由动能定理有
Fl=mAv⑥
由④⑤⑥式,代入数据解得
l=0.45 m⑦
12. [2014·天津卷 ( http: / / www.21cnjy.com )] 同步加速器在粒子物理研究中有重要的应用,其基本原理简化为如图所示的模型.M、N为两块中心开有小孔的平行金属板.质量为m、电荷量为+q的粒子A(不计重力)从M板小孔飘入板间,初速度可视为零.每当A进入板间,两板的电势差变为U,粒子得到加速,当A离开N板时,两板的电荷量均立即变为零.两板外部存在垂直纸面向里的匀强磁场,A在磁场作用下做半径为R的圆周运动,R远大于板间距离.A经电场多次加速,动能不断增大,为使R保持不变,磁场必须相应地变化.不计粒子加速时间及其做圆周运动产生的电磁辐射,不考虑磁场变化对粒子速度的影响及相对论效应.求:
(1)A运动第1周时磁场的磁感应强度B1的大小;.
(2)在A运动第n周的时间内电场力做功的平均功率Pn;
(3)若有一个质量也为m、电荷量为+k ( http: / / www.21cnjy.com )q(k为大于1的整数)的粒子B(不计重力)与A同时从M板小孔飘入板间,A、B初速度均可视为零,不计两者间的相互作用,除此之外,其他条件均不变.下图中虚线、实线分别表示A、B的运动轨迹.在B的轨迹半径远大于板间距离的前提下,请指出哪个图能定性地反映A、B的运动轨迹,并经推导说明理由.
A B C D
10.在如图所示的竖直平面内,水平 ( http: / / www.21cnjy.com )轨道CD和倾斜轨道GH与半径r= m的光滑圆弧轨道分别相切于D点和G点,GH与水平面的夹角θ=37°.过G点、垂直于纸面的竖直平面左侧有匀强磁场,磁场方向垂直于纸面向里,磁感应强度B=1.25 T;过D点、垂直于纸面的竖直平面右侧有匀强电场,电场方向水平向右,电场强度E=1×104 N/C.小物体P1质量m=2×10-3 kg、电荷量q=+8×10-6 C,受到水平向右的推力F=9.98×10-3 N的作用,沿CD向右做匀速直线运动,到达D点后撤去推力.当P1到达倾斜轨道底端G点时,不带电的小物体P2在GH顶端静止释放,经过时间t=0.1 s与P1相遇.P1与P2与轨道CD、GH间的动摩擦因数均为μ=0.5,g取10 m/s2,sin 37°=0.6,cos 37°=0.8,物体电荷量保持不变,不计空气阻力.求:21教育名师原创作品
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(1)小物体P1在水平轨道CD上运动速度v的大小;
(2)倾斜轨道GH的长度s.
10.(1)4 m/s (2)0.56 m
[解析] (1)设小物体P1在匀强磁场中运动的速度为v,受到向上的洛伦兹力为F1,受到的摩擦力为f,则21*cnjy*com
F1=qvB①
f=μ(mg-F1)②
由题意,水平方向合力为零
F-f=0③
联立①②③式,代入数据解得
v=4 m/s④
(2)设P1在G点的速度大小为vG,由于洛伦兹力不做功,根据动能定理
qErsin θ-mgr(1-cos θ)=mv-mv2⑤
P1在GH上运动,受到重力、电场力和摩擦力的作用,设加速度为a1,根据牛顿第二定律
qEcos θ-mgsin θ-μ(mgcos θ+qEsin θ)=ma1⑥
P1与P2在GH上相遇时,设P1在GH上运动的距离为s1,则
s1=vGt+a1t2⑦
设P2质量为m2,在GH上运动的加速度为a2,则
m2gsin θ-μm2gcos θ=m2a2⑧
P1与P2在GH上相遇时,设P2在GH上运动的距离为s2,则
s2=a2t2⑨
联立⑤~⑨式,代入数据得
s=s1+s2⑩
s=0.56 m
11. [2014·四川卷] 如图 ( http: / / www.21cnjy.com )所示,水平放置的不带电的平行金属板p和b相距h,与图示电路相连,金属板厚度不计,忽略边缘效应.p板上表面光滑,涂有绝缘层,其上O点右侧相距h处有小孔K;b板上有小孔T,且O、T在同一条竖直线上,图示平面为竖直平面.质量为m、电荷量为-q(q>0)的静止粒子被发射装置(图中未画出)从O点发射,沿p板上表面运动时间t后到达K孔,不与板碰撞地进入两板之间.粒子视为质点,在图示平面内运动,电荷量保持不变,不计空气阻力,重力加速度大小为g.
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(1)求发射装置对粒子做的功;
(2)电路中的直流电源内阻为r,开关S接“1 ( http: / / www.21cnjy.com )”位置时,进入板间的粒子落在b板上的A点,A点与过K孔竖直线的距离为l.此后将开关S接“2”位置,求阻值为R的电阻中的电流强度;
(3)若选用恰当直流电源, ( http: / / www.21cnjy.com )电路中开关S接“1”位置,使进入板间的粒子受力平衡,此时在板间某区域加上方向垂直于图面的、磁感应强度大小合适的匀强磁场(磁感应强度B只能在0~Bm=范围内选取),使粒子恰好从b板的T孔飞出,求粒子飞出时速度方向与b板板面的夹角的所有可能值(可用反三角函数表示).21·cn·jy·com
11.(1) (2) (3)0<θ≤arcsin [解析] (1)设粒子在p板上做匀速直线运动的速度为v0,有
h=v0t①
设发射装置对粒子做的功为W,由动能定理得
W=mv②
联立①②可得 W=③
(2)S接“1”位置时,电源的电动势E0与板间电势差U有
E0=U④
板间产生匀强电场的场强为 ( http: / / www.21cnjy.com )E,粒子进入板间时有水平方向的速度v0,在板间受到竖直方向的重力和电场力作用而做类平抛运动,设加速度为a,运动时间为t1,有
U=Eh⑤
mg-qE=ma⑥
h=at⑦
l=v0t1⑧
S接“2”位置,则在电阻R上流过的电流I满足
I=⑨
联立①④~⑨得
I=⑩
(3)由题意知此时在板间运动的粒子重力 ( http: / / www.21cnjy.com )与电场力平衡,当粒子从K进入板间后立即进入磁场做匀速圆周运动,如图所示,粒子从D点出磁场区域后沿DT做匀速直线运动,DT与b板上表面的夹角为题目所求夹角θ,磁场的磁感应强度B取最大值时的夹角θ为最大值θm,设粒子做匀速圆周运动的半径为R,有
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qv0B=eq \f(mv,R)eq \o(○,\s\up1(11))
过D点作b板的垂线与b板的上表面交于G,由几何关系有
DG=h-R(1+cos θ)
TG=h+Rsin θ
tan θ==
联立①~,将B=Bm代入,求得
θm=arcsin
当B逐渐减小,粒子做匀速圆周运动的半径 ( http: / / www.21cnjy.com )为R也随之变大,D点向b板靠近,DT与b板上表面的夹角θ也越变越小,当D点无限接近于b板上表面时,粒子离开磁场后在板间几乎沿着b板上表面运动而从T孔飞出板间区域,此时Bm>B>0满足题目要求,夹角θ趋近θ0,即
θ0=0
则题目所求为 0<θ≤arcsin
21.[2014·福建卷Ⅰ] 图为 ( http: / / www.21cnjy.com )某游乐场内水上滑梯轨道示意图,整个轨道在同一竖直平面内,表面粗糙的AB段轨道与四分之一光滑圆弧轨道BC在B点水平相切.点A距水面的高度为H,圆弧轨道BC的半径为R,圆心O恰在水面.一质量为m的游客(视为质点)可从轨道AB的任意位置滑下,不计空气阻力.
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(1)若游客从A点由静止开始滑下,到B点 ( http: / / www.21cnjy.com )时沿切线方向滑离轨道落在水面上的D点,OD=2R,求游客滑到B点时的速度vB大小及运动过程轨道摩擦力对其所做的功Wf;
(2)若游客从AB段某处滑下,恰好停 ( http: / / www.21cnjy.com )在B点,又因受到微小扰动,继续沿圆弧轨道滑到P点后滑离轨道,求P点离水面的高度h.(提示:在圆周运动过程中任一点,质点所受的向心力与其速率的关系为F向=m)
21.[答案] (1) -(mgH-2mgR) (2)R
[解析] (1)游客从B点做平抛运动,有2R=vBt①
R=gt2②
由①②式得vB=③
从A到B,根据动能定理,有
mg(H-R)+Wf=mv-0④
由③④式得Wf=-(mgH-2mgR)⑤
(2)设OP与OB间夹角为θ,游客在P点时的速度为vP,受到的支持力为N,从B到P由机械能守恒定律,有21教育网
mg(R-Rcos θ)=mv-0⑥
过P点时,根据向心力公式,有mgcos θ-N=meq \f(v,R)⑦
N=0⑧
cos θ=⑨
由⑥⑦⑧⑨式解得h=R.⑩
E3 机械能守恒定律
15.[2014·新课标Ⅱ卷] 取水平 ( http: / / www.21cnjy.com )地面为重力势能零点.一物块从某一高度水平抛出,在抛出点其动能与重力势能恰好相等.不计空气阻力.该物块落地时的速度方向与水平方向的夹角为( )【来源:21cnj*y.co*m】
A. B.
C. D.
15.B [解析] 由题意可知 ( http: / / www.21cnjy.com ),mgh=mv,又由动能定理得 mgh=mv2-mv,根据平抛运动可知v0是v的水平分速度,那么cos α==,其中α为物块落地时速度方向与水平方向的夹角,解得α=45?,B正确.
21. [2014·福建卷Ⅰ] 图为某 ( http: / / www.21cnjy.com )游乐场内水上滑梯轨道示意图,整个轨道在同一竖直平面内,表面粗糙的AB段轨道与四分之一光滑圆弧轨道BC在B点水平相切.点A距水面的高度为H,圆弧轨道BC的半径为R,圆心O恰在水面.一质量为m的游客(视为质点)可从轨道AB的任意位置滑下,不计空气阻力.
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(1)若游客从A点由静止开始滑下,到B点时 ( http: / / www.21cnjy.com )沿切线方向滑离轨道落在水面上的D点,OD=2R,求游客滑到B点时的速度vB大小及运动过程轨道摩擦力对其所做的功Wf;
(2)若游客从AB段某处滑下 ( http: / / www.21cnjy.com ),恰好停在B点,又因受到微小扰动,继续沿圆弧轨道滑到P点后滑离轨道,求P点离水面的高度h.(提示:在圆周运动过程中任一点,质点所受的向心力与其速率的关系为F向=m)
21.[答案] (1) -(mgH-2mgR) (2)R
[解析] (1)游客从B点做平抛运动,有2R=vBt①
R=gt2②
由①②式得vB=③
从A到B,根据动能定理,有
mg(H-R)+Wf=mv-0④
由③④式得Wf=-(mgH-2mgR)⑤
(2)设OP与OB间夹角为θ,游客在P点时的速度为vP,受到的支持力为N,从B到P由机械能守恒定律,有
mg(R-Rcos θ)=mv-0⑥
过P点时,根据向心力公式,有mgcos θ-N=meq \f(v,R)⑦
N=0⑧
cos θ=⑨
由⑥⑦⑧⑨式解得h=R.⑩
E4 实验:探究动能定理
9.[2014·天津卷]
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(1)半径为R的水平圆盘绕过圆心O的竖 ( http: / / www.21cnjy.com )直轴匀速转动,A为圆盘边缘上一点.在O的正上方有一个可视为质点的小球以初速度v水平抛出,半径OA的方向恰好与v的方向相同,如图所示.若小球与圆盘只碰一次,且落在A点,重力加速度为g,则小球抛出时距O的高度h=________,圆盘转动的角速度大小ω=________.
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(2)某同学把附有滑轮的长木板平放在实 ( http: / / www.21cnjy.com )验桌上,将细绳一端拴在小车上,另一端绕过定滑轮,挂上适当的钩码,使小车在钩码的牵引下运动,以此定量探究绳拉力做功与小车动能变化的关系.此外还准备了打点计时器及配套的电源、导线、复写纸、纸带、小木块等.组装的实验装置如图所示.【出处:21教育名师】
①若要完成该实验,必需的实验器材还有哪些______________________________.
②实验开始时,他先调节木板上定滑轮的高度,使牵引小车的细绳与木板平行.他这样做的目的是下列的哪个________(填字母代号).
A.避免小车在运动过程中发生抖动
B.可使打点计时器在纸带上打出的点迹清晰
C.可以保证小车最终能够实现匀速直线运动
D.可在平衡摩擦力后使细绳拉力等于小车受的合力
③平衡摩擦后,当他用多个钩码牵引小车时, ( http: / / www.21cnjy.com )发现小车运动过快,致使打出的纸带上点数较少,难以选到合适的点计算小车的速度.在保证所挂钩码数目不变的条件下,请你利用本实验的器材提出一个解决办法:______________________.【版权所有:21教育】
④他将钩码重力做的功当作细绳拉力做的功,经多 ( http: / / www.21cnjy.com )次实验发现拉力做功总是要比小车动能增量大一些.这一情况可能是下列哪些原因造成的________(填字母代号).
A.在接通电源的同时释放了小车
B.小车释放时离打点计时器太近
C.阻力未完全被小车重力沿木板方向的分力平衡掉
D.钩码做匀加速运动,钩码重力大于细绳拉力
(3)现要测量一个未知电阻Rx的阻值,除Rx外可用的器材有:
多用电表(仅可使用欧姆挡);
一个电池组E(电动势6 V);
一个滑动变阻器R(0~20 Ω,额定电流1 A);
两个相同的电流表G(内阻Rg=1000 Ω,满偏电流Ig=100 μA);
两个标准电阻(R1=29 000 Ω,R2=0.1 Ω);
一个电键S、导线若干.
①为了设计电路,先用多用电表的欧姆挡 ( http: / / www.21cnjy.com )粗测未知电阻,采用“×10”挡,调零后测量该电阻,发现指针偏转非常大,最后几乎紧挨满偏刻度停下来,下列判断和做法正确的是________(填字母代号).21世纪教育网版权所有
A.这个电阻阻值很小,估计只有几欧姆
B.这个电阻阻值很大,估计有几千欧姆
C.如需进一步测量可换“×1”挡,调零后测量
D. 如需进一步测量可换“×1k”挡,调零后测量
②根据粗测的判断,设计一个测量电路,要求测量尽量准确并使电路能耗较小,画出实验电路图,并将各元件字母代码标在该元件的符号旁.www.21-cn-jy.com
9.(1)
(n∈N*)
(2)①刻度尺、天平(包括砝码)
②D
③可在小车上加适量的砝码(或钩码)
④CD
(3)①AC
②如图所示
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E5 实验:验证机械能守恒定律
E6 功和能综合
7.(15分)[2014·重庆卷] 题 ( http: / / www.21cnjy.com )7图为“嫦娥三号”探测器在月球上着陆最后阶段的示意图,首先在发动机作用下,探测器受到推力在距月球表面高度为h1处悬停(速度为0,h1远小于月球半径);接着推力改变,探测器开始竖直下降,到达距月面高度为h2处的速度为v;此后发动机关闭,探测器仅受重力下落到月面,已知探测器总质量为m(不包括燃料),地球和月球的半径比为k1,质量比为k2,地球表面附近的重力加速度为g,求:
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题7图
(1)月球表面附近的重力加速度大小及探测器刚接触月面时的速度大小;
(2)从开始竖直下降到刚接触月面时,探测器机械能的变化.
7.[答案] (1)eq \f(k,k2)g eq \r(v2+\f(2kgh2,k2)) (2)mv2-eq \f(k,k2)mg(h1-h2)
本题利用探测器的落地过程将万有引力定律,重力加速度概念,匀变速直线运动,机械能等的概念融合在一起考查.设计概念比较多,需要认真审题.21cnjy.com
[解析] (1)设地球质量和半径分别为M ( http: / / www.21cnjy.com )和R,月球的质量、半径和表面附近的重力加速度分别为M′、R′和g′,探测器刚接触月面时的速度大小为vt.www-2-1-cnjy-com
由mg′=G和mg=G得g′=eq \f(k,k2)g
由v-v2=2g′h2
得vt=eq \r(v2+\f(2kgh2,k2))
(2)设机械能变化量为ΔE,动能变化量为ΔEk,重力势能变化量为ΔEp.
由ΔE=ΔEk+ΔEp
有ΔE=m(v2+eq \f(2kgh2,k2))-meq \f(k,k2)gh1
得ΔE=mv2-eq \f(k,k2)mg(h1-h2)
16.[2014·新课标Ⅱ卷] 一 ( http: / / www.21cnjy.com )物体静止在粗糙水平地面上,现用一大小为F1的水平拉力拉动物体,经过一段时间后其速度变为v.若将水平拉力的大小改为F2,物体从静止开始经过同样的时间后速度变为2v.对于上述两个过程,用WF1、WF2分别表示拉力F1、F2所做的功,Wf1、Wf2分别表示前后两次克服摩擦力所做的功,则( )2·1·c·n·j·y
A.WF2>4WF1,Wf2>2Wf1
B.WF2>4WF1,Wf2=2Wf1
C.WF2<4WF1,Wf2=2Wf1
D.WF2<4WF1,Wf2<2Wf1
16.C [解析] 因物体均做匀变速 ( http: / / www.21cnjy.com )直线运动,由运动学公式得前后两个过程的平均速度是2倍关系,那么位移x=t也是2倍关系,若Wf1=fx,则Wf2=f·2x故Wf2=2Wf1;由动能定理WF1-fx=mv2和WF2-f·2x=m(2v)2得WF2=4WF1-2fx<4WF1,C正确.
16.[2014·广东卷] 图9是安装 ( http: / / www.21cnjy.com )在列车车厢之间的摩擦缓冲器结构图,图中①和②为楔块,③和④为垫板,楔块与弹簧盒、垫板间均有摩擦,在车厢相互撞击使弹簧压缩的过程中( )【来源:21·世纪·教育·网】
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A.缓冲器的机械能守恒
B.摩擦力做功消耗机械能
C.垫板的动能全部转化为内能
D.弹簧的弹性势能全部转化为动能
16.B [解析] 由于楔块 ( http: / / www.21cnjy.com )与弹簧盒、垫块间均有摩擦,摩擦力做负功,则缓冲器的机械能部分转化为内能,故选项A错误,选项B正确;车厢撞击过程中,弹簧被压缩,摩擦力和弹簧弹力都做功,所以垫块的动能转化为内能和弹性势能,选项C、D错误.
二、双项选择题:本大题共9 ( http: / / www.21cnjy.com )个小题,每小题6分,共54分.每小题给出的四个选项中,有两个选项符合题目要求,全部选对者的得6分,只选1个且正确的得3分;有错选或不答的得0分.2-1-c-n-j-y
18.[2014·福建卷Ⅰ] 如图所示,两 ( http: / / www.21cnjy.com )根相同的轻质弹簧,沿足够长的光滑斜面放置,下端固定在斜面底部挡板上,斜面固定不动.质量不同、形状相同的两物块分别置于两弹簧上端.现用外力作用在两物块上,使两弹簧具有相同的压缩量,若撤去外力后,两物块由静止沿斜面向上弹出并离开弹簧,则从撤去外力到物块速度第一次减为零的过程,两物块( )
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A.最大速度相同
B.最大加速度相同
C.上升的最大高度不同
D.重力势能的变化量不同
18.C [解析] 设斜面倾角为θ,物块速度 ( http: / / www.21cnjy.com )达到最大时,有kx=mgsin θ,若m1v2max,此时质量为m1的物块还没达到最大速度,因此v1max>v2max,故A错;由于撤去外力前,两弹簧具有相同的压缩量,所以撤去外力时两弹簧的弹力相同,此时两物块的加速度最大,由牛顿第二定律可得a=,因为质量不同,所以最大加速度不同,故B错误;由于撤去外力前,两弹簧具有相同的压缩量,所以两弹簧与物块分别组成的两系统具有相同的弹性势能,物块上升过程中系统机械能守恒,所以上升到最大高度时,弹性势能全部转化为重力势能,所以两物块重力势能的增加量相同,故D错误;由Ep=mgh可知,两物块的质量不同,所以上升的最大高度不同,故C正确.
19.[2014·全国卷] 一物块沿倾角为θ ( http: / / www.21cnjy.com )的斜坡向上滑动.当物块的初速度为v时,上升的最大高度为H,如图所示;当物块的初速度为时,上升的最大高度记为h.重力加速度大小为g.则物块与斜坡间的动摩擦因数和h分别为( )
A.tan θ和
B.tan θ和
C.tan θ和
D.tan θ和
19.D [解析] 本题考查 ( http: / / www.21cnjy.com )能量守恒定律.根据能量守恒定律,以速度v上升时,mv2=μmgcos θ+mgH,以速度上升时m=μmgcos θ+mgh,解得h=,μ=tan θ,所以D正确.
22.如图所示,竖直平面内的四分 ( http: / / www.21cnjy.com )之一圆弧轨道下端与水平桌面相切,小滑块A和B分别静止在圆弧轨道的最高点和最低点.现将A无初速释放,A与B碰撞后结合为一个整体,并沿桌面滑动.已知圆弧轨道光滑,半径R=0.2 m;A和B的质量相等;A和B整体与桌面之间的动摩擦因数μ=0.2.重力加速度g取10 m/s2.求:
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(1) 碰撞前瞬间A的速率v;
(2) 碰撞后瞬间A和B整体的速率v′;
(3) A和B整体在桌面上滑动的距离l.
22.[答案] (1)2 m/s (2)1 m/s (3)0.25 m
[解析] 设滑块的质量为m.
(1)根据机械能守恒定律有
mgR=mv2
解得碰撞前瞬间A的速率有
v==2 m/s.
(2)根据动量守恒定律有
mv=2mv′
解得碰撞后瞬间A和B整体的速率
v′=v=1 m/s.
(3)根据动能定理有
(2m)v′2=μ(2m)gl
解得A和B整体沿水平桌面滑动的距离
l==0.25 m.
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