- 碰撞
- 共652题
两物块A、B用轻弹簧相连,质量均为2 kg,初始时弹簧处于原长,A、B两物块都以v=6 m/s的速度在光滑的水平地面上运动,质量4 kg的物块C静止在前方,如图所示。B与C碰撞后二者会粘在一起运动。求在以后的运动中:
(1)当弹簧的弹性势能最大时,物块A的速度为多大?
(2)系统中弹性势能的最大值是多少?
正确答案
解:(1)当A、B、C三者的速度相等时弹簧的弹性势能最大。由A、B、C三者组成的系统动量守恒
解得
(2)B、C碰撞时B、C组成的系统动量守恒,设碰后瞬间B、C两者速度为,则
mBv=(mB+mC),
=
=2 m/s
设物ABC速度相同时弹簧的弹性势能最大为Ep,根据能量守恒
Ep=(mB+mC)
+
mAv2-
(mA+mB+mC)
=
×(2+4)×22+
×2×62-
×(2+2+4)×32=12 J
如图所示,三个可视为质点的物块A、B、C,在水平面上排成一条直线,且彼此间隔一定距离。已知mA=mB=10kg,mC=20kg,C的静止位置左侧水平面光滑,右侧水平面粗糙,A、B与粗糙水平面间的动摩擦因数μA=μB=0.4,C与粗糙水平面间动摩擦因数μC=0.2,A具有20J的初动能向右运动,与静止的B发生碰撞后粘在一起,又与静止的C发生碰撞,最后A、B、C粘成一个整体,g=10m/s2,求:
(1)在第二次碰撞后A、B、C组成的整体的速度大小;
(2)在第二次碰撞过程中损失的机械能;
(3)A、B、C组成的整体在粗糙的水平面上能滑行的最大距离。
正确答案
解:(1)A的初动能
A、B发生完全非弹性碰撞,根据动量守恒定律,
解得
A、B、C发生完全非弹性碰撞,设碰后的速度大小为v2,根据动能守恒定律
解得v2=0.5m/s
(2)在第二次碰撞中损失的机械能
(3)A、B、C整体在粗糙水平面上所受的摩擦力F=FA+FB+FC=μAmAg+μBmBg+μCmCg=120N
根据动能定理:
可得在粗糙水平面上滑行的最大距离为m=4.2×10-2 m
如图所示,1和2是放在水平地面上的两个小物块(可视为质点),与地面的滑动摩擦因数相同,两物块间的距离d=170 m ,它们的质量分别为m1=2 kg、m2=3 kg。现令它们分别以初速度v1=10 m/s和v2=2 m/s相向运动,经过时间t=20 s,两物块相碰,碰撞时间极短,碰后两者粘在一起运动。求:
(1)两物块相碰前瞬间的速度大小;
(2)从刚碰后到停止运动过程中损失的机械能。
正确答案
解:(1)因为两物块始终作减速运动,有可能出现在相碰前有物块停止运动,故应进行讨论。先假定在时间t内,都未停下。以a表示此加速度的大小,现分别以s1和s2表示它们走的路程,则有
①,
②,
③
解①②③三式并代入有关数据得 ④
经过时间t,两物块的速度分别为 ⑤,
⑥
V2'为负值是不合理的,因为物块是在摩擦力作用下作减速运动,当速度减少至零时,摩擦力消失,加速度不复存在,v2'不可为负。V2'为负,表明物块2经历的时间小于t时已经停止运动。在时间t内,物块2停止运动前滑行的路程应是 ⑦
解①③⑦式,代入有关数据得 ⑧
由⑤⑥式求得刚要发生碰撞时物块1的速度 ⑨
而物块2的速度 ⑩
(2)设v为两物块碰撞后的速度,由动量守恒定律有
刚碰后到停止运动过程中损失的机械能
由并代入数据得
如图所示,半径R=0.8m的四分之一光滑圆弧轨道位于竖直平面内,与长CD=2.0m的绝缘水平面平滑连接。水平面右侧空间存在互相垂直的匀强电场和匀强磁场,电场强度E=40N/C,方向竖直向上,磁场的磁感应强度B=1.0T,方向垂直纸面向外。两个质量均为m=2.0×10-6 kg的小球a和b,a球不带电,b球带q=1.0×10-6 C的正电,并静止于水平面右边缘处。将a球从圆弧轨道顶端由静止释放,运动到D点与b球发生正碰,碰撞时间极短,碰后两球粘合在一起飞入复合场中,最后落在地面上的P点。已知小球a在水平面上运动时所受的摩擦阻力f=0.1mg,PN=,取g=10m/s2。a、b均可作为质点。(结果保留三位有效数字)求:
(1)小球a与b相碰后瞬间速度的大小v;
(2)水平面离地面的高度h;
(3)从小球a开始释放到落地前瞬间的整个运过程中ab系统损失的机械能ΔE。
正确答案
解:(1)设a球到D点时的速度为vD,从释放至D点,根据动能定理:
对a、b球,根据动量守恒定律mvD=2mv
解得:v=1.73m/s
(2)两球进入复合场后,由计算可知Eq=2mg,两球在洛仑兹力作用下做匀速圆周运动轨迹示意图如图所示
洛仑兹力提供向心力
由图可知:r=2h
解得:h=2=3.46m
(3)ab系统损失的机械能
或
解得=1.49×10-4 J
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,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
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 ①
设两小球碰后的共同速度为V,根据动量守恒定律有 ②
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 ③
④
解得⑤,
⑥
两小球若要发生第二次碰撞,需要v1<0, ⑦
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
光滑水平面上排列着三个等大的球心共线的弹性小球1,2,3,质量分别为m1,m2,m3。现给1号球一个水平速度v0,于是,1号球与2号球、2号球与3号球依次发生碰撞,碰撞过程无机械能损失(即完全弹性碰撞)。
(1)求最终三个球的速度大小。(每两个球只发生一次碰撞)
(2)若1,3号球质量m1,m3已知,2号球质量m2多大,3号球碰后速度最大。
正确答案
解:(1)设m1,m2,m3最后的速度分别为v1,v2,v3,m1与m2相碰后,m2的速度为v
m1v0=m1v1+m2v
相碰过程中无机械能损失
解得,
同理,m2与m3相碰,解得,
(2)由(1)结果得
当时,v3最大值
解得
如图所示,圆管构成的半圆形轨道竖直固定在水平地面上,轨道半径为R,MN为直径且与水平面垂直,直径略小于圆管内径的小球A以某一速度冲进轨道,到达平圆轨道最高点M时与静止于该处的质量与A相同的小球B发生碰撞,碰后两球粘在一起飞出轨道,落地点距N为2R。重力加速度为g,忽略圆管内径,空气阻力及各处摩擦均不计。求:
(1)粘合后的两球从飞出轨道到落地的时间t;
(2)小球A冲进轨道时速度v的大小。
正确答案
解:(1)粘合后的两球飞出轨道后做平抛运动,竖直方向分运动为自由落体运动,有:
①
解得: ②
(2)设球A的质量为m,碰撞前速度大小为v1,把球A冲进轨道最低点时的重力势能定为0,由机械能守恒定律知: ③
设碰撞后粘合在一起的两球速度大小为V2,由动量守恒定律知:mv1=2mv2 ④
飞出轨道后做平抛运动,水平方向分运动为匀速直线运动,有:2R=v2t ⑤
综合②③④⑤式得: ⑥
如图所示,小球A系在细线的一端,线的另一端固定在O点,O点到水平面的距离为h。物块B质量是小球的4倍,置于粗糙的水平面上且位于O点的正下方,物块与水平面间的动摩擦因数为μ。现拉动小球使线水平伸直,小球由静止开始释放,运动到最低点时与物块发生正碰(碰撞时间极短),反弹后上升至最高点时到水平面的距离为。小球与物块均视为质点,不计空气阻力,重力加速度为g,求:
(1)物块在水平面上滑行的时间t;
(2)通过计算判断A、B间碰撞为弹性碰撞还是非弹性碰撞。
正确答案
解:(1)设小球的质量为m,运动到最低点与物块碰撞前的速度大小为v1,取小球运动到最低点重力势能为零,根据机械能守恒定律,有 ①
得
设碰撞后小球反弹的速度大小为v1',同理有 ②
得
设碰撞后物块的速度大小为v2,取水平向右为正方向,根据动量守恒定律,有 ③
得 ④
物块在水平面上滑行所受摩擦力的大小:
根据牛顿第二定律,有: ⑤
设物块在水平面上滑行的时间为t,根据运动学公式,有 ⑥
联立,解得: ⑦
(2)碰撞前系统的总动能:
碰撞后系统的总动能:
由于,故此次碰撞为非弹性碰撞
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得
(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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