题号:5991    题型:解答题    来源:2023年山西省高考考前适应性测试物理试卷与答案
有一款推拉门, 其三扇门板俯视如图所示, 每扇门的宽度均为 $L=1.00 \mathrm{~m}$, 质量均为 $m=20 \mathrm{~kg}$, 边缘凸起部位的宽度均为 $d=0.05 \mathrm{~m}$ 。门完全关闭时, 1 号门板的左侧以及 3 号 门板的右侧分别与两侧的门框接触时, 相邻门板的凸起部位也恰好接触。测试时, 将三扇 门板均推至最左端, 然后用恒力 $F$ 水平向右推 3 号门板, 每次都经过相同的位移 $s=0.20 \mathrm{~m}$ 后撤去 $F$, 观察三扇门的运动情况。发现当恒力为 $8.5 \mathrm{~N}$ 时, 3 号门板恰好能运动到其左侧 凸起与 2 号门板右侧的凸起接触处。设每扇门与轨道间的动摩擦因数均相同, 门板凸起部位间的碰撞及门板与门框的碰撞均为完全非弹性碰撞 (不黏 连)。不考㤅空气阻力, 取 $g=10 \mathrm{~m} / \mathrm{s}^2$ 。
(1)求每扇门与轨道间的动摩擦因数。
(2)若要实现三扇门恰好完全关闭,则恒力应是多大?
(3)若想让三扇门都到达最右侧门框处, 则恒力至少是多大?
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答案:
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(1)设每扇门与轨道间的动摩擦因数为 $\mu$, 由动能定理有
$F_1 s-\mu m g(L-3 d)=0$
解得: $\mu=0.01$
(2)设 3 号门板与 2 号门板碰撞前速度的大小为 $v_1$, 由动能定理有
$$
F_2 s-\mu m g(L-3 d)=\frac{1}{2} m v_1^2 \text {. }
$$
设 3 号门板与 2 号门板碰撞后速度的大小为 $v_2$, 由动量守恒定律有
$$
m v_1=2 m v_2
$$
3 号门板与 2 号门板碰撞后一起向右运动的过程中
$$
-\mu(2 m) g(L-3 d)=0-\frac{1}{2}(2 m) v_2{ }^2 \text {. }
$$
解得: $F_2=42.5 \mathrm{~N}$
(3)设 3 号门板与 2 号门板碰撞前速度的大小为 $v_3$, 由动能定理有
$$
F_3 s-\mu m g(L-3 d)=\frac{1}{2} m v_3^2 \text {. }
$$
设 3 号门板与 2 号门板碰撞后速度的大小为 $v_4$, 由动量守恒定律有
$$
m v_3=2 m v_4
$$
3 号门板与 2 号门板碰撞后一起向右运动到 3 号门板与门框接触前的速度的大小为 $v_5$, 由动能定理有
$$
-\mu(2 m) g(L-3 d)=\frac{1}{2}(2 m) v_5^2-\frac{1}{2}(2 m) v_4^2
$$
设 2 号门板与 1 号门板碰撞后速度的大小为 $v_6$, 由动量守恒定律有
$$
m v_5=2 m v_6
$$
从 2 号门板与 1 号门板碰撞后到 1 号门板恰好停止过程中, 由动能定理有
$$
-2 \mu m g(L-3 d)=0-\frac{1}{2} m v_6^2
$$
解得: $F_3=314.5 \mathrm{~N}$

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