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简答题

一质量为m的小球,以初速度v0沿水平方向射出,恰好垂直地射到一倾角为30°的固定斜面上,并立即反方向弹回。已知反弹速度的大小是入射速度大小的,求在碰撞中斜面对小球的冲量大小。

正确答案

解:小球在碰撞斜面前做平抛运动,设刚要碰撞斜面时小球速度为v,由题意,v的方向与竖直线的夹角为30°,且水平分量仍为v0,如图

由此得v=2v0

碰撞过程中,小球速度由v变为反向的,碰撞时间极短,可不计重力的冲量,由动量定理,斜面对小球的冲量为

由①、②得

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简答题

如图所示,一质量m1=0.2kg的小球,从光滑水平轨道上的一端A处,以v1=2.5m/s的速度水平向右运动。轨道的另一端B处固定放置一竖直光滑半圆环轨道(圆环半径比细管的内径大得多),轨道的半径R=10cm,圆环轨道的最低点与水平轨道相切;空中有一固定长为15cm的木板DF,F端在轨道最高点C的正下方,竖直距离为5cm。水平轨道的另一端B处有一质量m2=0.2kg的小球,m1、m2两小球在B处发生的是完全弹性碰撞,重力加速度为g=10m/s2。求:

(1)经过C点时,小球m2对轨道的作用力的大小及方向?

(2)m2小球打到木板DF上的位置?

正确答案

解:(1)在B处m1与m2发生的是完全弹性碰撞,有:

 ①

 ②

由①②式解得:

(或因m1与m2发生的是完全弹性碰撞,且,所以两球交换速度。得

由B到C的过程,机械能守恒,有

由③代入数据得

在C点,对m2根据牛顿第二定律:

由④代入数据得:,方向竖直向下

据牛顿第三定律知:小球对轨道的作用力大小为0.5N,方向竖直向上

(2)小球从C飞出做平抛运动,有

 ⑤

 ⑥

由⑤⑥解得:,所以物体刚好落在木板的D点上

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简答题

如图所示,在高为h=5 m的平台右边缘上,放着一个质量M=3 kg的铁块,现有一质量为m=1 kg的钢球以v0=10 m/s的水平速度与铁块在极短的时间内发生正碰被反弹,落地点距平台右边缘的水平距离为l=2 m。已知铁块与平台间的动摩擦因数μ=0.5,求铁块在平台上滑行的距离x(不计空气阻力,铁块和钢球都看成质点,取g=10 m/s2)。

正确答案

解:设钢球反弹后的速度大小为v1,铁块的速度大小为v2,碰撞时间极短系统动量守恒

mv0=Mv2-mv1

钢球做平抛运动

l=v1t

铁块在平台滑行的距离x=1.6 m

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简答题

如图所示,光滑的绝缘平台水平固定,在平台右下方有相互平行的两条边界MN与PQ,其竖直距离为h=1.7m,两边界间存在匀强电场和磁感应强度为B=0.9T且方向垂直纸面向外的匀强磁场,MN过平台右端并与水平方向呈θ=37°.在平台左端放一个可视为质点的A球,其质量为mA=0.17kg,电量为q=+0.1C,现给A球不同的水平速度,使其飞出平台后恰好能做匀速圆周运动.g取10m/s2

(1)求电场强度的大小和方向;

(2)要使A球在MNPQ区域内的运动时间保持不变,则A球的速度应满足的条件?(A球飞出MNPQ区域后不再返回)

(3)在平台右端再放一个可视为质点且不带电的绝缘B球,A球以vA0=3m/s的速度水平向右运动,与B球碰后两球均能垂直PQ边界飞出,则B球的质量为多少?

正确答案

解: (1)A球能做圆周运动,必须有:Eq=mAg

电场强度方向竖直向上

(2)A球在MNPQ区域运动时间相等,必须从边界MN飞出,如图所示,最大半径满足:R'cosθ+R'=hcosθ

A球做匀速圆周运动有:

解得:vA=0.4m/s

依题意,A球速度必须满足:0<vA≤0.4m/s

(3)AB相碰后,A做匀速圆周运动,半径R=h

得vA=0.9m/s

B球做平抛运动,设飞行的水平距离为x,时间为t,有:

x=vB0t

vB0=vytanθ=gttanθ

得vB0=3m/s

由动量守恒定律得:

mAvA0=mAvA+mBvB0mB=0.119Kg。

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简答题

如图所示,在距水平地面高h=0.80 m的水平桌面一端的边缘放置一个质量m=0.80 kg的木块B,桌面的另一端有一块质量M=1.0 kg的木块A以初速度v0= 4.0 m/s开始向着木块B滑动,经过时间t=0.80 s与B发生碰撞,碰后两木块都落到地面上,木块B离开桌面后落到地面上的D点。设两木块均可以看做质点,它们的碰撞时间极短,且已知D点距桌面边缘的水平距离s=0.60 m,木块A与桌面间的动摩擦因数μ=0. 25,重力加速度取g=10 m/s2。求:

(1)两木块碰撞前瞬间,木块A的速度大小;

(2)木块B离开桌面时的速度大小;

(3)木块A落到地面上的位置与D点之间的距离。

正确答案

解:(1)木块A在桌面上受到滑动摩擦力作用做匀减速运动,根据牛顿第二定律,木块A的加速度

=2.5 m/s2

设两木块碰撞前A的速度大小为v,根据运动学公式,得v=v0-at=2.0 m/s

(2)两木块离开桌面后均做平抛运动,设木块B离开桌面时的速度大小为v2,在空中飞行的时间为t',根据平抛运动规律有

解得

(3)设两木块碰撞后木块A的速度大小为v1,根据动量守恒定律有:Mv=Mv1+mv2

解得

设木块A落到地面过程的水平位移为s',根据平抛规律

则木块A落到地面上的位置与D点之间的距离△s=s -s'=0.28 m

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简答题

如图所示,质量为m的小物块A在粗糙水平桌面上做直线运动,经距离l后与质量为m的小物块B发生碰撞,并粘在一起以速度v飞离桌面,最终落在水平地面上.已知l=3.0m,v=2.0m/s,m=0.10kg,物块与桌面间的动摩擦因数μ=0.15,桌面高h=0.45m.不计空气阻力,重力加速度g取10m/s2.求

(1)落地点距飞出点的水平距离s;

(2)落地时的动能Ek

(3)小物块A的初速度大小v0

正确答案

(1)飞离桌面时物体做平抛运动

竖直方向做自由落体由h=gt2

代入数据解得t=0.3s

水平方向做匀速直线运动s=vt

代入数据s=0.6m 

(2)由动能定理得 Ek-(2m)v2=2mgh

代入数据

EK=1.3J  

(3)AB相碰时动量守恒  mvt+0=2mv  

得到碰前速度 vt=4m/s 

物体A受到的摩擦力为μmg,

对于A由动能定理得 m-mv2=μmgl

代入数据解得 v0=5m/s

答:(1)落地点距飞出点的水平距离为0.6m.

(2)落地时的动能为1.3J.

(3)小物块A的初速度大小为5m/s.

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简答题

如图,ABD为竖直平面内的光滑绝缘轨道,其中AB段是水平的,BD段为半径R=0.2 m的半圆,两段轨道相切于B点,整个轨道处在竖直向下的匀强电场中,场强大小E=5.0×103 V/m。一不带电的绝缘小球甲,以速度υ0沿水平轨道向右运动,与静止在B点带正电的小球乙发生弹性碰撞。已知甲、乙两球的质量均为m=1.0×10-2 kg,乙所带电荷量q=2.0×10-5 C,g取10 m/s2。(水平轨道足够长,甲、乙两球可视为质点,整个运动过程无电荷转移)

(1)甲乙两球碰撞后,乙恰能通过轨道的最高点D,求乙在轨道上的首次落点到B点的距离;

(2)在满足(1)的条件下,求的甲的速度υ0

(3)若甲仍以速度υ0向右运动,增大甲的质量,保持乙的质量不变,求乙在轨道上的首次落点到B点的距离范围。

正确答案

解:(1)在乙恰好能通过轨道的最高点的情况下,设乙到达最高点的速度为,乙离开D点达到水平轨道的时间为t,乙的落点到B点的距离为,则

       ①

       ②

       ③

      联立①②③得:

(2)设碰撞后甲、乙的速度分别为,根据动量守恒和机械能守恒定律有: 

       ⑤ 

       ⑥

      联立⑤⑥得:

      由动能定理得:

      联立①⑦⑧得:

(3)设甲的质量为M,碰撞后甲、乙的速度分别为,根据动量守恒和机械能守恒定律有:

       ⑽ 

       ⑾

      联立⑽⑾得: ⑿

      由⑿和,可得:<2v0 ⒀

      设乙球过D点的速度为,由动能定理得

       ⒁

      联立⑨⒀⒁得: ⒂

      设乙在水平轨道上的落点到B点的距离为,则有 ⒃

      联立②⒂⒃得:

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简答题

如图所示,质量均为m的A、B两个弹性小球,用长为2l的不可伸长的轻绳连接。现把A、B两球置于距地面高H处(H足够大),间距为l。当A球自由下落的同时,B球以速度V0指向A 球水平抛出。求:

(1)两球从开始运动到相碰,A球下落的高度。

(2)A、B两球碰撞(碰撞时无机械能损失)后,各自速度的水平分量。

(3)轻绳拉直过程中,B球受到绳子拉力的冲量大小。

正确答案

解:(1)设A球下落的高度为h

 ①

 ②

联立①②得

(2)由水平方向动量守恒得

由机械能守恒得

式中

联立④⑤得

(3)由水平方向动量守恒得

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【选修3-5选做题】

如图所示,在高为=5m的平台右边缘上,放着一个质量=3kg的铁块,现有一质量为=1kg的钢球以0=10m/s的水平速度与铁块在极短的时间内发生正碰被反弹,落地点距离平台右边缘的水平距离为=2m.已知铁块与平台之间的动摩擦因数为0.5,求铁块在平台上滑行的距离(不计空气阻力,铁块和钢球都看成质点).

正确答案

解:设钢球反弹后的速度大小为1,铁块的速度大小为,碰撞时间极短系统动量

  ①  

钢球做平抛运动   ②        

    ③

由②③①解得t=1s,v1=2m/s,v=4m/s

铁块做匀减速直线运动,加速度大小=5m/s2   ④

最终速度为0,则其运行时间=0.8s   ⑤

所以铁块在平台右滑行的距离=1.6m  ⑥

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简答题

如图,ABD为竖直平面内的光滑绝缘轨道,其中AB段是水平的,BD段为半径R=0.2m的半圆,两段轨道相切于B点,整个轨道处在竖直向下的匀强电场中,场强大小E=5.0×103V/m 一不带电的绝缘小球甲,以速度v0沿水平轨道向右运动,与静止在B点带正电的小球乙发生弹性碰撞,已知甲、乙两球的质量均为m=1.0×10-2kg,乙所带电荷量q=2.0×10-5C,g取10m/a2。(水平轨道足够长,甲、乙两球可视为质点,整个运动过程无电荷转移)

(1)甲、乙两球碰撞后,乙恰能通过轨道的最高点D,求乙在轨道上的首次落点到B点的距离;

(2)在满足(1)的条件下,求甲的速度v0

(3)若甲仍以速度v0向右运动,增大甲的质量,保持乙的质量不变,求乙在轨道上的首次落点到B点的距离范围。

正确答案

解:(1)在乙恰能通过轨道最高点的情况下,设乙到达最高点的速度为vD

乙离开D点到达水平轨道的时间为t,乙的落点到B点的距离为x,则

x=vDt ③

 联立①②③得x=0.4m ④

(2)设碰撞后甲、乙的速度分别为v、v根据动量守恒定律和机械能守恒定律有mv0=mv+mv

联立⑤⑥得v=v0

由动能定理,得

联立①⑦⑧得

(3)设甲的质量为M,碰撞后甲、乙的速度分别为vM、vm

根据动量守恒定律和机械能守恒定律有Mv0= MvM+ mvm

联立⑩

和M≥m,可得v0≤vm< 2v0

设乙球过D点时的速度为vDˊ,由动能定理得

 联立⑨得2m/s≤vD'<8m/s

设乙在水平轨道上的落点距B点的距离为xˊ,有xˊ=vD't

联立②得0.4m≤xˊ<1.6m。

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