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简答题

1914年,夫兰克和赫兹在实验中用电子碰撞静止原子的方法,使原子从基态跃迁到激发态,来证明玻尔提出的原子能级存在的假设。设电子的质量为m,原子的质量为m0,基态和激发态的能级差为ΔE,试求入射电子的最小动能。(假设碰撞是一维正碰)

正确答案

解:要使原子发生跃迁,则原子吸收能量最小为ΔE,因此电子与原子碰撞的能量损失最小为ΔE,当电子与原子发生完全非弹性碰撞时能量损失最多,设电子与原子碰后的共同速度为v,则由碰撞过程动量守恒,设碰前电子的动能为,则碰前电子的动量,故

根据碰撞过程能量守恒,则

联立可得入射电子的最小动能为

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如图所示,已知水平面上的P点右侧光滑,左侧与滑块m1间的动摩擦因数为μ。质量分别为m1和m2的两个滑块在水平面上P点的右侧分别以速度v1、v2向右运动,由于v1> v2而发生碰撞(碰撞前后两滑块的速度均在一条直线上)。二者碰后m1继续向右运动,m2被右侧的墙以原速率弹回,再次与m1相碰,碰后m2恰好停止,而m1最终停在Q点,测得PQ间的距离为l。求第一次碰后滑块m1的速率。

正确答案

解:设第一次碰后m1滑块的速度大小为v1',m2滑块的速度大小为v2',设向右为正方向,根据动量守恒定律有:

第二次碰撞

m1过P点向左运动过程中,由动能定理得:-μm1gl=0-

解得:v1'=

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(选修3-5选做题)

如图1所示,物体A的质量是4 kg,轻弹簧一端连接A,另一端固定在竖直墙壁上,水平面光滑。物体B水平向左运动,在t=5 s时与物体A相碰,并立即与A有相同的速度,一起向左运动,物块B的速度一时间图象如图2所示。  

(1)求物块B的质量;  

(2)求15 s以后弹簧具有的最大弹性势能。

正确答案

解:(1)由图象可得:物体B以速度v0=6 m/s与A相碰,立即有相同的速度v=2 m/s,A、B相互作用时间很短,水平方向动量守恒,有:mBv0=(mA+mB)v

解得:mB=2 kg

(2)15 s以后,物块B和A分离,分离时A的速度为v=2 m/s

由机械能守恒定律有,弹簧最大弹性势能为

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一个物体静置于光滑水平面上,外面扣一质量为M的盒子,如图甲所示。现给盒子一初速度v0,此后,盒子运动的v-t图像呈周期性变化,如图乙所示。请据此求盒内物体的质量。

正确答案

解:设物体的质量为m,t0时刻受盒子碰撞获得速度v,根据动量守恒定律Mv0=mv ①

3t0时刻物体与盒子右壁碰撞使盒子速度又变为v0,说明碰撞是弹性碰撞,

联立①②解得m=M ③

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如图所示的三个小球的质量都为m,B、C两球用轻弹簧连接后放在光滑的水平面上,A球以速度v0沿B、C两球球心的连线向B球运动,碰后A、B两球粘在一起。问:

(1)A、B两球刚刚粘合在一起时的速度是多大?

(2)弹簧压缩至最短时三个小球的速度是多大?

正确答案

解:(1)在A、B碰撞的过程中弹簧的压缩量是极其微小的,产生弹力可完全忽略,即C球并没有参与作用,因此A、B两球组成的系统所受合外力为零,动量守恒。所以v0的方向为动量的正方向,则有:

mv0=2mv1,解得v1=v0/2

(2)粘合在一起的A、B两球向右运动,压缩弹簧,由于弹力的作用,C球被加速,速度由零开始增大,而A、B两球被减速,速度逐渐减小,当三球相对静止时弹簧最短,此时三球速度相等。在这一过程中,三球构成的系统动量守恒,有:

2mv1=3mv2,解得

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用速度为v0、质量为m124He核轰击质量为m2的静止的714N核,发生核反应,最终产生两种新粒子A和B。其中A为817O核,质量为m3,速度为v3;B的质量为m4

(1)计算粒子B的速度vB

(2)粒子A的速度符合什么条件时,粒子B的速度方向与He核的运动方向相反。

正确答案

解:(1)由动量守恒定律有:m1v0=m3v3+m4vB 解得:vB

(2)B的速度与He核的速度方向相反,即:m1v0-m3v3<0

解得:v3

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在光滑的水平面上,质量为m1的小球A以速率v0向右运动。在小球的前方O点处有一质量为m2的小球B处于静止状态,如图所示。小球A与小球B发生正碰后小球A、B均向右运动。小球B被在Q点处的墙壁弹回后与小球A在P点相遇,PQ=1.5PO。假设小球间的碰撞及小球与墙壁之间的碰撞都是弹性的,求两小球质量之比m1/m2

正确答案

解:从两小球碰撞后到它们再次相遇,小球A和B的速度大小保持不变,根据它们通过的路程,可知小球B和小球A在碰撞后的速度大小之比为4∶1

两球碰撞过程有:

解得:

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(选修3-5选做题)

如图所示,光滑的水平面上有两块相同的长木板A和B,长为l=0.5m,在B的右端有一个可以看作质点的小铁块C,三者的质量都为m,C与A、B间的动摩擦因数都为μ。现在A以速度ν0=6m/s向右运动并与B相碰,撞击时间极短,碰后A、B粘在一起运动,而C可以在A、B上滑动,问:如果μ=0.5,则C会不会掉下地面?

正确答案

解:A与B碰后,速度为v1,由动量守恒定律有mv0=2mv1

A、B、C的共同速度为v2,由动量守恒定律有mv0=3mv2

A、B、C达到共同速度时,C在AB上滑过的距离为△S,由能量守恒定律有μmg△S=×2mv12-×3mv22

由①、②、③得△S=0.6m<1m

小铁块C不会掉在地面上

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在宇宙飞船中的水滴处于完全失重状态,由于水的表面张力水滴会成球形。一个水滴的质量为m1,其速度为v1,与另一个质量为m2、速度为v2的水滴发生正碰,碰后二者结合为一个更大的水滴,求碰后水滴的速度大小。

正确答案

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如图所示,在水平光滑直导轨上,静止着三个质量均为m=1kg的相同小球A、B、C,现让A球以v0=2m/s的速度向着B球运动,A、B两球碰撞后黏合在一起,两球继续向右运动并跟C球碰撞,C球的最终速度vc=1m/s。

(1)两球跟球相碰前的共同速度多大?

(2)两次碰撞过程中一共损失了多少动能?

正确答案

解:(1)A、B相碰满足动量守恒

得两球跟C球相碰前的速度v1=1m/s

两球与C碰撞同样满足动量守恒

得两球碰后的速度v2=0.5m/s

(2)两次碰撞损失的动能=1.25J

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