- 碰撞
- 共652题
在原子反应堆中,用石墨(碳)作“慢化剂”使快中子减速。已知碳核的质量是中子的12倍,假设中子与碳核的碰撞是弹性的(即碰撞中不损失动能),而且碰撞前碳核是静止的,试求:
(1)设碰撞前中子的动能为E0,问经过一次碰撞后,中子的动能损失多少?
(2)至少经过多少次碰撞,中子的动能才能少于10-6E0?(lg13=1.114,lg11=1.041 1)
正确答案
解:(1)设中子的质量为m,速度为v0,碳核的质量为M,碰撞后中子、碳核的速度分别为v1、v,则:
mv0=mv1+Mv
由以上两式解得
碰撞一次,中子损失的动能为:
(2)中子与碳核第一次碰撞后剩余的动能:
同理,经第二次碰撞后,中子剩余的动能:
第n次碰撞后,中子剩余的动能:
有
即
两边取对数得:2n(lg11-lg13)=-6,即2n(1.0411-1.114)=-6
得n=41.2次,故至少要碰撞42次,中子的动能才能少于10-6E0
如果α粒子以速度v与电子发生弹性正碰(假定电子原来是静止的),求碰撞后仅粒子的速度变化了多少?并由此说明:为什么原子中的电子不能使α粒子发生明显的偏转?
正确答案
解:设α粒子初速度为v,质量为M,与电子碰后速度为v1,电子质量为m,与α粒子碰后速度为v2由动量守恒定律得Mv=Mv1+mv2 ①
由能量关系得 ②
由①②得碰后α粒子速度③
α粒子速度变化量④
把M=7 300m代入④得
可见α粒子的速度变化只有万分之三,说明原子中的电子不能使α粒子发生明显的偏转
【选修3-5选做题】
质量分别为m1和m2的两个小球在光滑的水平面上分别以速度v1、v2同向运动并发生对心碰撞,碰后m2被右侧的墙原速弹回,又与m1相碰,碰后两球都静止,求:第一次碰后m1球的速度。
正确答案
解:根据动量守恒定律得
解得
如图,一质量m = 1 kg的木块静止的光滑水平地面上。开始时,木块右端与墙相距L = 0.08 m;质量为m = 1 kg的小物块以初速度υ0= 2 m/s滑上木板左端。木板长度可保证物块在运动过程中不与墙接触。物块与木板之间的动摩擦因数为μ= 0.1,木板与墙的碰撞是完全弹性的。取g = 10 m/s2,求
小题1:从物块滑上木板到两者达到共同速度时,木板与墙碰撞的次数及所用的时间;
小题2:达到共同速度时木板右端与墙之间的距离。
正确答案
小题1:1.8S
小题2:0.06 m
(1)物块滑上木板后,在摩擦力作用下,木板从静止开始做匀加速运动。设木块加速度为a,经历时间T后与墙第一次碰撞,碰撞时的速度为υ1,则
μmg=ma ①
L=aT2 ②
υ1=at ③
联立①②③式解得T= 0.4 s υ1 = 0.4 m/s ④
在物块与木板两者达到共同速度前,在每两次碰撞之间,木板受到物块对它的摩擦力作用而做加速度恒定的运动,因而木板与墙相碰后将返回至初态,所用时间为T。设在物块与木板两者达到共同速度υ前木块共经历n次碰撞,则有
υ= υ0– (2nT + △t)a=a△t ⑤
式中△t是碰撞n次后木板从起始位置至达到共同速度所需要的时间。
⑤式可改写为2υ= υ0– 2nT ⑥
由于木板的速率只能位于0到v0之间,故有0 ≤ υ0– 2nT ≤ 2υ0 ⑦
求解上式得
1.5 ≤ n ≤ 2.5
由于n是整数,故 n=2 ⑧
再由①⑤⑧得
△t= 0.2 s ⑨
υ = 0.2m/s ⑩
从开始到物块与木板两者达到共同速度所用的时间为t= 4T + △t= 1.8 s
(2)物块与木板达到共同速度时,木板右端与墙之间的距离为 s=L–a△t2
联立①12式,并代入数据得s= 0.06m
(15分)两个质量都是=0.4kg的砂箱A、B并排放在光滑的水平桌面上,一颗质量为
=0.1kg的子弹以
=140m/s的水平速度射向
,如图所示.射穿
后,进入
并同
一起运动,测得
、
落点到桌边缘的水平距离
=1∶2,求:
(1)沙箱离开桌面的瞬时速度;(2)子弹在砂箱
、
中穿行时系统一共产生的热量
.
正确答案
(1) (2)
试题分析:(1)在子弹穿过A和B的过程中,A、B和子弹组成的系统满足动量守恒定律
设离开桌面的瞬时速度分别为
,则
①
离开桌面后,分别做平抛运动,则
②
联立①②解得,
(2)子弹在砂箱中穿行的过程,系统满足能量守恒则:
③
解得
如图所示,A、B、C三个物体质量均为m,其中厚度相同的A、B位于光滑的水平面上,可视为质点的小物块C放在静止的B物体上,物体A以速度v0。向物体B运动,与B发生碰撞(碰撞时间极短),碰后A、B以相同的速度运动,但互不粘连;C滑过B后又在A上滑行,最后停在A上,与A一起以的速度运动。求:
(1)物体B最终的速度;
(2)小物块C在物体A和物体B上滑行过程中由于摩擦产生的热量之比。
正确答案
解:(1)从最初A以速度υ0运动到最终AC以共同速度υ4运动、同时B以速度υ2匀速运动的过程中,对ABC组成的系统全过程由动量守恒定律有:
求得:
(2)如图1,从A以速度υ0运动到与B相碰获得共同速度(设为υ1)的过程中,对AB组成的系统由动量守恒定律得:
设C离开B的瞬时速度为υ3,AB整体的速度减小为υ2,如图2所示,对ABC组成的系统由动量守恒定律得:
设该过程中C在B上滑行由于摩擦产生的热量为QB,由能量关系可得:
C以速度υ3离开B滑上A后,AB分离,B以速度υ2匀速运动,C和A相互作用至达到共同速度υ4,如图3所示。该过程中对A、C组成的系统由动量守恒定律有:
设该过程中C在A上滑行由于摩擦产生的热量为QA,由功能关系可得:
联立以上各式及题中已知,可得:
(18分)如图甲所示,物块A、B的质量分别是mA=4.0kg和mB="3.0kg." 用轻弹簧栓接,放在光滑的水平地面上,物块B右侧与竖直墙相接触. 另有一物块C从t=0时以一定速度向右运动,在t=4s时与物块A相碰,并立即与A粘在一起不再分开,物块C的v-t图象如图乙所示.求:
(1)物块C的质量mC;
(2)墙壁对物块B的弹力在4 s到12s的时间内对B做的功W及对B的冲量I的大小和方向;
(3)B离开墙后的过程中弹簧具有的最大弹性势能Ep。
正确答案
(1)mC=2kg
(2),方程向左
(3)
(1)由图知,C与A碰前速度为,碰后速度为
,C与A碰撞过程动量守恒.
………………3分
即mC=2kg………………2分
(2)墙对物体B不做功,W=0………………2分
由图知,12s末A和C的速度为,4s到12s,墙对B的冲量为
………………2分
得…………2分
方程向左………………1分
(3)12s, B离开墙壁,之后A、B、C及弹簧组成的系统动量和机械能守恒,且当A.C与B速度相等时,弹簧弹性势能最大.
………………2分
…………2分
得………………2分
如图所示,一质量为的滑块静止在水平台面右端
点,另一质量为
的滑块从与
点相距
的
点以初速度
以向右运动,至
处与
发生弹性正碰。碰后
沿原路返回至台面
处静止,
经时间
落到地面上
点。已知两滑块均能看成质点,且
,
点离
处的水平距离为
,
与台面间的动摩擦因数为
,重力加速度为
,求:
(1)水平台面离地面的高度;
(2)在
处的初速度
的大小;
(3)点离
初始位置
的距离。
正确答案
(1)(2)
(3)
(1)设水平台面离地面的高度为
因为碰撞后,做平抛运动,其竖直方向遵守自由落体规律,所以有:
① 解得
(4分)
(2)设与
碰撞前后瞬间速率分别为
,
,碰后
的瞬时速率为
。
因为与
发生弹性碰撞,所以有:
② (2分)
③ (2分)
且
碰后,做平抛运动:
④ (1分)
由④式求得,代入③④求解得:
,
(方向向左) (1分)
因为碰前做匀减速运动,其加速度大小为
,所以有:
⑤
代入数据求解得: (2分)
(3)碰后,从
向左做匀减速运动,至
处静止,设其位移为
⑥ (2分)
代入数据求解得:
所以点离
初始位置
的距离为:
⑦ (2分)
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与传送带之间的动摩擦因数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
对于两物体碰撞前后速度在同一直线上,且无机械能损失的碰撞过程,可以简化为如下模型:A、B两物体位于光滑水平面上,仅限于沿同一直线运动。当它们之间的距离大于等于某一定值d时,相互作用力为零;当它们之间的距离小于d时,存在大小恒为F的斥力。设A物休质量m1=1.0kg,开始时静止在直线上某点;B物体质量m2=3.0kg,以速度v0从远处沿该直线向A运动,如图所示。若d=0.10m,F=0.60N,v0=0.20m/s,求:
(1)相互作用过程中A、B加速度的大小;
(2)从开始相互作用到A、B间的距离最小时,系统(物体组)动能的减少量;
(3)A、B间的最小距离。
正确答案
解:(1)
(2)两者速度相同时,距离最近,由动量守恒
(3)根据匀变速直线运动规律v1=a1t,v2=v0-a2t
当v1=v2时,解得A、B两者距离最近时所用时间t=0.25s
s1=a1t2,s2=v0t-
a2t2,△s=s1+d-s2
将t=0.25s代入,解得A、B间的最小距离△smin=0.075m
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