- 对心碰撞和非对心碰撞、散射
- 共327题
如图所示,可视为质点的A、B两物体并排放在一起,与墙相距L=4 m,ma=mb=1 kg,A物体与水平地面间摩擦力不计,B物体与地面的动摩擦因数μ=0.1。开始时两物体静止,现同时分别给A、B向左、向右大小为I=4N·s的冲量,使两物体向相反的方向运动,设A与墙壁发生无机械能损失的碰撞,后又与B物体碰撞并结合在一起继续运动(g=10 m/s2)。求:
(1)A物体开始运动时的速度大小;
(2)B物体最后所停的位置与墙壁间的距离。
正确答案
解:(1)对A或B有I=mv,即
(2)设B运动后的加速度为aB,则μmBg=mBaB,aB=μg=1m/s2 设B从开始运动到速度为0通过的距离为sB,运动的时间为tB,则
vB2=2aBsB,得sB=8 m
VB=aBtB,知tB=4 s
分析可知:B物体剐停,A物体到来与之碰撞结合
由动量守恒定律可知:mAvA=(mA+mB)vAB,vAB=2 m/s
而后共同运动的加速度为aAB,(mA+mB)aAB=μmBg,aAB=0.5 m/s2
vAB2=2aABs'B,可得s'B=4 m
B物体到墙壁的距离s总=L+sB+S'B=16 m
如图所示,有一光滑轨道ABC,AB为竖直平面内半径为R的四分之一圆弧轨道,BC部分为足够长的水平轨道。一个质量为m1的小物体自A处由静止释放,m1沿圆弧轨道AB滑下,与在水平轨道BC上质量为m2的静止的物体相碰。
(1)如果m2与水平轻弹簧相连,弹簧的另一端连在固定装置P上。m1滑到水平轨道后与m2发生碰撞但不粘连,碰撞后m1与m2一起将弹簧压缩后被弹回,m1与m2重新分开。若弹簧压缩和伸长过程中无机械能损失,且m1=m2,求m1反弹后能达到的最大高度;
(2)如果去掉与m2相连的弹簧及固定装置P,m1仍从A处由静止释放。
a.若m1=m2,且m1与m2的碰撞过程中无机械能损失,求碰撞后m1能达到的最大高度。
b.若m1与m2的碰撞过程中无机械能损失,要使m1与m2只能发生两次碰撞,求m2与m1的比值范围。
正确答案
解:(1)m1从A滑到B重力势能转化为动能,m1的速度达到v1
①
m1与m2发生碰撞时弹簧处于自然状态,系统动量守恒,碰撞后以共同速度v共向右运动
v共= ②
m1与m2一起将弹簧压缩后又被弹回,当弹簧恢复到自然长度时m1与m2重新分开,此时m1与m2的速度都为v共,m1以v共为初速度滑上圆弧轨道,设m1能达到的最大高度是h
解得
(2)撤去弹簧及固定装置后
a. m1与m2发生碰撞时系统动量守恒,且没有机械能损失。设向右为正方向,有
③
④
代入m1=m2可得
,负号表示m1向左运动
此后m1冲上圆弧轨道,设m1能达到的最大高度是
将带入上式,可得
b. m1滑到水平轨道以速度v1与静止的m2发生第一次碰撞,设向右为正方向,有
解得,
要能发生第二次碰撞的条件是v1'<0,即m1<m2;且|v1'|>v2',即|m1-m2|>2m1,可得m2>3m1 ⑤
m1从圆弧轨道上滑下,以速度与速度为
的m2发生第二次碰撞,有
第二次碰后m1和m2的速度 ⑥,
⑦
不发生第三次碰撞的条件为≤
,即-
≤
≤
则
解不等式
得 ⑧
解不等式
得m2≥3m1 或m2≤-m1 ⑨
综合⑤、⑧、⑨,m1与m2只能发生两次碰撞的条件为
在绝缘水平面上放一质量m =2.0×10-3kg的带电滑块A,所带电荷量q =1.0×10-7C。在滑块A的左边l=0.3m处放置一个不带电的绝缘滑块B,质量M =4.0×10-3kg,B与一端连在竖直墙壁上的轻弹簧接触(不连接)且弹簧处于自然状态,弹簧原长s0 =0.05m。如图所示,在水平面上方空间加一水平向左的匀强电场,电场强度的大小为E =4.0×105N/C,滑块A由静止释放后向左滑动并与滑块B发生碰撞,设碰撞时间极短,碰撞后两滑块结合在一起共同运动并压缩弹簧至最短处(弹性限度内),此时弹性势能E0=3.2×10-3J,两滑块始终没有分开,两滑块的体积大小不计。与水平面间的动摩擦因数均为μ=0.50,g取10m/s2。求:
(1)两滑块碰撞后刚结合在一起的共同速度v;
(2)两滑块碰撞后到弹簧压至最短的过程中,滑块A电势能的变化量;
(3)两滑块被弹簧弹开后距竖直墙壁的最大距离S(结果保留两位小数)。
正确答案
解:(1)设两滑块碰前A的速度为v1
由动能定理有:
解得:v1=3m/s
A、B两滑块碰撞,由于时间极短动量守恒,设共同速度为v
解得:v=1.0m/s
(2)碰后A、B一起压缩弹簧至最短,设弹簧压缩量为x1
由动能定理有:
解得:x1=0.02m
弹簧压缩过程中电场力做正功,电势能减少
(3)设反弹后A、B滑行了x2距离后速度减为零
由动能定理得:
解得:x2≈0.05m
以后,因为qE>μ(M+m)g,滑块还会向左运动,但弹开的距离将逐渐变小,所以最大距离为:
S=x2+s-x1=0.05m+0.05m-0.02m=0.08m
有两个完全相同的小滑块A和B,A沿光滑水平面以速度v0与静止在平面边缘O点的B发生正碰,碰撞中无机械能损失。碰后B运动的轨迹为OD曲线,如图所示。
(1)已知滑块质量为m,碰撞时间为,求碰撞过程中A对B平均冲力的大小。
(2)为了研究物体从光滑抛物线轨道顶端无初速下滑的运动,特制做一个与B平抛轨道完全相同的光滑轨道,并将该轨道固定在与OD曲线重合的位置,让A沿该轨道无初速下滑(经分析,A下滑过程中不会脱离轨道)。
a.分析A沿轨道下滑到任意一点的动量pA与B平抛经过该点的动量pB的大小关系;
b.在OD曲线上有一M点,O和M两点连线与竖直方向的夹角为45°。求A通过M点时的水平分速度和竖直分速度。
正确答案
解:(1)滑动A与B正碰,满足
mvA-mVB=mv0 ①
②
由①②,解得vA=0,vB=v0 根据动量定理,滑块B满足F·t=mv0
解得
(2)a.设任意点到O点竖直高度差为d。A、B由O点分别运动至该点过程中,只有重力做功,所以机械能守恒。选该任意点为势能零点,有
EA=mgd,EB= mgd+
由于p=,有
即PA<PB
A下滑到任意一点的动量总和是小于B平抛经过该点的动量
b.以O为原点,建立直角坐标系xOy,x轴正方向水平向右,y轴正方向竖直向下,则
对B有x=v0t,y=gt2
B的轨迹方程y=
在M点x=y,所以y= ③
因为A、B的运动轨迹均为OD曲线,故在任意一点,两者速度方向相同。设B水平和竖直分速度大小分别为和
,速率为vB;A水平和竖直分速度大小分别为
和
,速率为vA,则
④
B做平抛运动,故 ⑤
对A由机械能守恒得vA= ⑥
由④⑤⑥得
将③代入得
(附加题)
如图所示,质量为m的由绝缘材料制成的球与质量为M=19m的金属球并排悬挂。现将绝缘球拉至与竖直方向成θ=60°的位置自由释放,下摆后在最低点与金属球发生弹性碰撞。在平衡位置附近存在垂直于纸面的磁场。已知由于磁场的阻尼作用,金属球将于再次碰撞前停在最低点处。求经过几次碰撞后绝缘球偏离竖直方向的最大角度将小于45°。
正确答案
解:设小球m的摆线长度为l,小球m在下落过程中与M相碰之前满足机械能守恒:
①
m和M碰撞过程满足: ②
③
联立②③得: ④
说明小球被反弹,而后小球又以反弹速度和小球M发生碰撞,满足:
⑤
⑥
解得: ⑦
整理得: ⑧
所以: ⑨
而偏离方向为45°的临界速度满足: ⑩
联立①⑨⑩代入数据解得,当n=2时,
当n=3时,
所以最多碰撞3次
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