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题型:简答题
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简答题

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

 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,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=

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,速率为vB;A水平和竖直分速度大小分别为,速率为vA,则

 ④

B做平抛运动,故

对A由机械能守恒得vA=

由④⑤⑥得

将③代入得

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简答题

如图所示,ABC为一固定在竖直平面内的光滑轨道,BC段水平,AB段与BC段平滑连接。质量为m的小球从高为h处由静止开始沿轨道下滑,与静止在轨道BC段上质量为km的小球发生碰撞,碰撞前后两小球的运动方向处于同一水平线上。

(1)若两小球碰撞后粘连在一起,求碰后它们的共同速度;

(2)若两小球在碰撞过程中无机械能损失

a.为使两小球能发生第二次碰撞,求k应满足的条件;

b.为使两小球仅能发生两次碰撞,求k应满足的条件。

正确答案

解:(1)设质量为m的小球碰撞前的速度为v0,根据机械能守恒定律有

设两小球碰后的共同速度为V,根据动量守恒定律有

解得

(2)a.取水平向右方向为正方向,设碰后m与km的速度分别为v1与V1,根据动量守恒定律和机械能守恒定律有

 ④

解得⑤,

两小球若要发生第二次碰撞,需要v1<0,

由⑤⑥⑦解得:k>3 ⑧

b.对于第二次碰撞,设v2与V2分别为m与km碰后的速度,由动量守恒和机械能守恒有

 ⑨

 ⑩

由⑤⑥⑧⑨解得

只要满足,两球一定不会相碰

由⑧解得

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简答题

小球A和B的质量分别为mA和mB,且mA>mB。在某高度处将A和B先后从静止释放小球A与水平地面碰撞后向上弹回,在释放处下方与释放处距离为H的地方恰好与正在下落的小球B发生正碰。设所有碰撞都是弹性的,碰撞时间极短。求小球A、B碰撞后B上升的最大高度。

正确答案

解:根据题意,由运动学规律可知,小球A与B碰撞前的速度大小相等,设均为v0。由机械能守恒有

  ①

设小球A与B碰撞后的速度分别为v1和v2,以竖直向上方向为正,由动量守恒有

mAv0+mB(-v0)=mAv1+mBv2

由于两球碰撞过程中能量守恒,故

  ③

联立②③式得  ④

 设小球B能上升的最大高度为h,由运动学公式有

由①④⑤式得  ⑥

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简答题

如图所示,长为L的不可伸长的绳子一端固定在O点,另一端系质量为m的小球,小球静止在光滑水平面上。现用大小为F水平恒力作用在另一质量为2m的物块上,使其从静止开始向右运动,一段时间后撤去该力,物块与小球发生正碰后速度变为原来的一半,小球恰好能在竖直平面内做圆周运动。已知重力加速度为g,小球和物体均可视为质点,试求:

(1)小物块碰撞前速度V0的大小;

(2)碰撞过程中系统损失的机械能;

(3)恒力F作用时间。

正确答案

解:(1)小球恰好通过最高点作圆周运动,此时重力刚好提供向心力,设速度为V,有

得V=

设小球碰撞后速度为V1,其后在摆至最高点过程中,机械能守恒:

mV21=mV2 +mg·2L

代入V值可得V1=

碰撞过程中,物块和小球系统动量守恒,有

2mV0=mV1+2m

代入V1值可得V0=

(2)碰撞过程中系统损失的机械能ΔE=·2m·V02·2m·m

代入所求出的速度值可得ΔE=mgL

(3)小球在水平面运动的加速度

由速度公式得力F作用时间

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简答题

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

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简答题

雨滴在穿过云层的过程中,不断与漂浮在云层中的小水珠相遇并结合为一体,其质量逐渐增大。现将上述过程简化为沿竖直方向的一系列碰撞。已知雨滴的初始质量为m0,初速度为v0,下降距离l后与静止的小水珠碰撞且合并,质量变为m1。此后每经过同样的距离l后,雨滴均与静止的小水珠碰撞且合并,质量依次变为m2、m3……mn……(设各质量为已知量)不计空气阻力。

(1)若不计重力,求第n次碰撞后雨滴的速度v'n;

(2)若考虑重力的影响,

a.求第1次碰撞前、后雨滴的速度v1和v'1

b.求第n次碰撞后雨滴的动能1/2mnv'n2

正确答案

解:(1)不计重力,全过程中动量守恒,m0v0=mnv'n

(2)若考虑重力的影响,雨滴下降过程中做加速度为g的匀加速运动,碰撞瞬间动量守恒

a.第1次碰撞前   

第1次碰撞后m0v1=m1v'1

  ①

b.第2次碰撞前v22=v12+2gl

利用①式化简得  ②

第2次碰撞后,利用②式得

同理,第3次碰撞后

……

第n次碰撞后

动能

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简答题

在光滑水平地面上放有一质量为M带光滑弧形槽的小车,一个质量为m的小铁块以速度v沿水平槽口滑去,如图所示,求:

(1)铁块能滑至弧形槽内的最大高度H;(设m不会从左端滑离M)

(2)小车的最大速度是多大?

(3)若M=m,则铁块从右端脱离小车后将作什么运动?

正确答案

解:(1)当铁块滑至弧形槽中的最高处时,m与M有共同的水平速度,等效于完全非弹性碰撞,由于无摩擦力做功,则系统减小的动能转化为m的势能

根据系统水平动量守恒:mv=(M+m)v′

而mgH=mv2(m+M)v′2可解得Hm=Mv2/[2g(M+m)]

(2)当铁块滑至最大高度后返回时,M仍在作加速运动,其最大速度是在铁块从右端脱离小车时,而铁和小车间挤压、分离过程,属于弹性碰撞模型,有:

mv=mvm+MVM

mv2=mv2m+Mv2M

联立得vm=v,vM=v

所以,小车的最大速度为2mv/(M+m)

(3)当M=m时,v′m=0,vM=v,铁块将作自由落体运动

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简答题

如图所示,在一个倾角为θ的光滑斜面底端有一个挡板,物体B和物体C用劲度系数为k的轻弹簧连接,静止在斜面上。将一个物体A从距离物体B为H处由静止释放,沿斜面下落后与物体B碰撞,碰撞后A与B黏合在一起并立刻向下运动,在以后的运动中A、B不再分离。已知物体A、B、C的质量均为M,重力加速度为g,忽略各物体自身的大小及空气阻力。求:

(1)A与B碰撞后瞬间的速度大小;

(2)A和B一起运动达到最大速度时,物体C对挡板的压力为多大?

(3)开始时,物体A从距B多大距离由静止释放时,在以后的运动中才能使物体C恰好离开挡板?

正确答案

(1)

(2)3Mgsinθ

(3)

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简答题

一水平放置的圆环形钢性窄槽固定在桌面上,槽内嵌着三个大小相同的钢性小球,它们的质量分别为m1、m2、m3,且m2=m3=2m1。小球与槽的两壁刚好接触且不计所有摩擦。起初三个小球处于如图所示的等间距的Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三个位置,m2、m3静止,m1以初速度v0沿槽运动,R为圆环内半径与小球半径之和。已知m1以v0与静止的m2碰撞之后,m2的速度大小为2v0/3;m2与m3碰撞之后二者交换速度;m3与m1之间的碰撞为弹性碰撞。求此系统的运动周期T。

正确答案

解:设经过相碰, 

碰撞之后两球的速度分别为,在碰撞过程中由动量守恒定律得:

 

,求得,方向与碰前速度方向相反

经过相碰, 

碰撞之后两球的速度分别为,因在碰撞后交换速度

所以

由碰后速度关系知,碰撞的位置在Ⅰ位置,设经过相碰, 

碰撞后的速度分别为,由动量守恒和机械能守恒定律可得:

 

 

联立得:(舍)

碰后经回到Ⅱ位置, 

至此,三个小球相对于原位置分别改变了120°,且速度与最初状态相同。故再经过两个相同的过程,即完成一个系统的运动周期

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简答题

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

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