- 对心碰撞和非对心碰撞、散射
- 共327题
如图所示为某种弹射装置的示意图,光滑的水平导轨MN右端N处与水平传送带理想连接,传送带长度L=4.0m,皮带轮沿顺时针方向转动,带动皮带以恒定速率v=3.0m/s匀速传动。三个质量均为m=1.0kg的滑块A、B、C置于水平导轨上,开始时滑块B、C之间用细绳相连,其间有一压缩的轻弹簧,处于静止状态。滑块A以初速度v0=2.0m/s沿B、C连线方向向B运动,A与B碰撞后粘合在一起,碰撞时间极短,因碰撞使连接B、C的细绳受扰动而突然断开,弹簧伸展,从而使C与A、B分离。滑块C脱离弹簧后以速度vC=2.0m/s滑上传送带,并从右端滑出落至地面上的P点。已知滑块C与传送带之问的动摩擦因数μ=0.20,重力加速度g取10m/s2。求:
(1)滑块C从传送带右端滑出时的速度大小;
(2)滑块B、C用细绳相连时弹簧的弹性势能Ep;
(3)若每次实验开始时弹簧的压缩情况相同,要使滑块C总能落至P点,则滑块A与滑块B碰撞前速度的最大值Vm是多少?
正确答案
解:(1)滑块C滑上传送带后做匀加速运动,设滑块C从滑上传送带到速度达到传送带的速度v所用的时间为t,加速度大小为a,在时间t内滑块C的位移为x
根据牛顿第二定律和运动学公式:μmg=ma,v=vC+at,
解得:x=1.25m<L,即滑块C在传送带上先加速,达到传送带的速度v后随传送带匀速运动,并从右端滑出,则滑块C从传道带右端滑出时的速度为v=3.0m/s
(2)设A、B碰撞后的速度为v1,A、B与C分离时的速度为v2,由动量守恒定律
mv0=2mv1
2mv1=2mv2+mvC
由能量守恒规律
解得EP=1.0J
(3)在题设条件下,若滑块A在碰撞前速度有最大值,则碰撞后滑块C的速度有最大值,它减速运动到传送带右端时,速度应当恰好等于传递带的速度v
设A与B碰撞后的速度为,分离后A与B的速度为
,滑块C的速度为
,由动量守恒定律
mvm=2mv1′
2mv1′=mvC′+2mv2′
由能量守恒规律
由运动学公式
解得:vm=7.1m/s
质量m=1.0 kg的甲物体与竖直放置的轻弹簧的上端连接,弹簧下端固定在地面上,如图所示。质量m=1.0 kg的乙物体从甲物体正上方,距离甲物体h=0.40 m处自由落下,撞在甲物体上在极短的时间内与甲物体粘在一起(不再分离)向下运动,它们到达最低点后又向上运动,上升的最高点比甲物体初始位置高H=0.10 m。已知弹簧的劲度系数k=200 N/m,且弹簧始终在弹性限度内,空气阻力可忽略不计,重力加速度g取10 m/s2。求:
(1)乙物体和甲物体碰撞过程中损失的动能;
(2)乙物体和甲物体碰撞后一起向下运动的最大距离。
正确答案
解:(1)设乙物体和甲物体碰撞前瞬间乙物体的速度大小为v1根据v12=2gh,解得v1=2 m/s=2.8 m/s
设乙物体和甲物体碰撞后的共同速度大小为v2由动量守恒定律有mv1=2mv2,解得v2=v1=
m/s=1.4 m/s
所以碰撞后系统的动能Ek2=(2m)v22=2 J
因为甲、乙物体构成的系统碰撞前的动能Ek1=4 J,所以乙物体和甲物体碰撞过程中损失的机械能
ΔE=Ek1-Ek2=2 J
(2)设甲物体静止时弹簧压缩量为x1,根据平衡条件
解得x1==5.0 cm
甲和乙碰撞后做简谐运动,在通过平衡位置时两物体所受合力为零,速度最大,设此时弹簧压缩量为x2解得x2==10 cm
甲物体和乙物体一同上升到最高点,两物体与简谐运动平衡位置的距离,即简谐运动的振幅
A=x2+(H-x1)=15 cm
根据简谐运动的对称性可知,两物体向下运动的最大距离
x=A+(x2-x1)=20 cm
如图有一个竖直固定在地面的透气圆筒,筒中有一劲度系数为k的轻弹簧,其下端固定,上端连接一质量为m的薄滑块,圆筒内壁涂有一层新型智能材料——ER流体,它对滑块的阻力可调。起初,滑块静止,ER流体对其阻力为0,弹簧的长度为L,现有一质量为M=2m的物体从距地面2L处自由落下,与滑块瞬间碰撞后粘在一起向下运动。为保证滑块做匀减速运动,且下移距离为(g为重力加速度)时速度减为0,ER流体对滑块的阻力须随滑块下移而变。试求(忽略空气阻力):
(1)下落物体与滑块碰撞过程中系统损失的机械能;
(2)在滑块下移停止之前的过程中,ER流体对滑块阻力的大小f与下滑距离d所满足的函数关系式。
正确答案
解:(1)设M与m碰撞前的速度大小为V1,由机械能守恒得:
MgL=MV12/2 ①
设碰撞后粘在一起的初速度大小为V2,由动量守恒定律得:
MV1=(M+m)V2 ②
在碰撞中损失的机械能为△E=MV12/2-(M+m)V22/2 ③
又M=2m ④
由①、②、③、④解得:△E=2mgL/3 ⑤
(2)相碰前弹簧的压缩量为x1=mg/k ⑥
共同下移到静止h=3mg/k ⑦
设加速度的大小为a,由匀变速直线运动公式有:
V22=2ah ⑧
设滑块下滑距离d时受到ER流体的阻力大小为f,此时弹簧的压缩量为x2,则
x2=x1+d ⑨
由牛顿第二定律得:f+kx2-(M+m)g=(M+m)a ⑩
由①、②、④、⑥、⑦、⑧、⑨、⑩得:f=2mg-kd+4kL/9
如图所示,长为0.60m的木板A,质量为1kg,板的右端放有物块B,质量为3kg,它们一起在光滑水平面上向左匀速运动,速度,以后木板与等高的竖直固定档板C发生碰撞,碰撞时间极短,且碰撞时没有机械能损失,物块B与木板A间的动摩擦因数0.4,取重力加速度
,问A、C能否发生第二次碰撞,请通过计算说明理由。若能,则第一次碰撞后再经多长时间A与C发生第二次碰撞;若不能,则第一次碰撞后A做什么运动。
正确答案
解:由于A与C碰撞没有机械能损失,A碰后原速率弹回,以向右运动,若能与C发生第二次撞,则要求A在B对他的摩擦力的作用下,重新向左运动,且B没有滑出A
设B没滑出A,达到共同速度为v,由动量守恒定律(向左为正),有
解得,方向向左
B在A上滑过的距离为SBA,则
解得SBA=0.5m<L,B不能滑出A,故可以与C发生第二次碰撞
A与B达到共同速度前做匀变速运动,达到共同速率后做匀速直线运动,设加速度为a
μmBg=mAa,a=12m/s2
A与B达到共同速度经历的时间为t1t1=v0-v/a=0.25s
此过程A对地向右的位移为s
s= v02-v2/2a=0.125m
t2=s/v=0.125s
所以,第一次碰撞后再与C发生第二次碰撞所经历的时间为:t=t1+t2=0.375s
在水平桌面上沿一条直线放两个完全相同的小物块A和B(可看作质点)质量均为m,它们相距s。B到桌边的距离是2s。对A施以瞬间水平冲量I,使A沿A、B连线以速度v0向B运动。设两物体碰撞时间很短,碰后不再分离。为使两物体能发生碰撞,且碰撞后又不会离开桌面,求:
(1)物体A、B与水平面间的动摩擦因数μ应满足什么条件;
(2)若,那么A、B碰撞过程系统损失的动能是多少?A、B停止运动时,到桌面右边缘的距离s′是多少?
正确答案
(1)≤μ<
(2)mv02/8,7s/4
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