- 碰撞
- 共652题
如图所示,倾角为θ的斜面上静止放置三个质量均为m的木箱,相邻两木箱的距离均为l。工人用沿斜面的力推最下面的木箱使之上滑,逐一与其他木箱碰撞。每次碰撞后木箱都粘在一起运动。整个过程中工人的推力不变,最后恰好能推着三个木箱匀速上滑。已知木箱与斜面间的动摩擦因数为μ,重力加速度为g。设碰撞时间极短,求:
(1)工人的推力;
(2)三个木箱匀速运动的速度;
(3)在第一次碰撞中损失的机械能。
正确答案
解:(1)设工人的推力为F,则有F=3mg(sinθ+μcosθ)
(2)设第一次碰撞前瞬间木箱速度为v1,由功能关系得
设碰撞后两木箱的速度为v2,由动量守恒得mv1=2mv2设再次碰撞前瞬间速度为v3,由功能关系得
设碰撞后三个木箱一起运动的速度为v4,由动量守恒得2mv3=3mv4
联立以上各式得
(3)设在第一次碰撞中损失的机械能为△E,有
联立解得△E=mgl(sinθ+μcosθ)
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
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=10 kg,mC=20 kg,C的左侧水平面光滑,C的右侧水平面粗糙,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20 J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,求:(取g=10 m/s2)
(1)在第二次碰撞中损失的机械能有多少?
(2)这个整体在粗糙的水平面上滑行的距离是多少?
正确答案
解:(1)由于A的初动能
得A的初速度v0=2 m/s
A,B发生完全非弹性碰撞,根据动量守恒定律
mAv0=(mA+mB)v1,得v1=1 m/s
A,B与C发生完全非弹性碰撞,根据动量守恒定律
(mA+mB)v1=(mA+mB+mC)v2,得v2=0.5 m/s
在第二次碰撞中损失的机械能
(2)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=120 N
根据动能定理解得
如图所示,abc是光滑的轨道,其中ab是水平的,bc是位于竖直平面内与ab相切的半圆,半径R=0.40 m。质量m=0.30 kg的小球A静止在水平轨道上,另一质量M=0.50 kg的小球B以v0=4 m/s的初速度与小球A发生碰撞。已知碰后小球A经过半圆的最高点c后落到轨道上距b点为L=1.2 m处,重力加速度g=10 m/s2。求:
(1)当A球经过半圆的最高点c时的速度大小;
(2)当A球经过半圆的最低点b时它对轨道的作用力;
(3)判断A,B碰撞是否是完全弹性碰撞。
正确答案
解:(1)设碰后小球A在半圆的最高点c时速度为vA',球A随后离开c点做平抛运动,有
,L=vA't
解得vA'=3 m/s
(2)设碰后小球A在半圆的最低点b时速度为vA,小球A从b点到c点由机械能守恒定律得
解得vA=5 m/s
在b点时,对A由牛顿运动定律可得:
联立解得FN=21.75 N
根据牛顿第三定律,球对轨道的作用力FN'大小为21.75 N,方向竖直向下
(3)对碰撞过程,由动量守恒定律得Mv0=MvB+mvA解得vB=1 m/s
由功能关系得,碰撞中产生的内能
解得E=0
所以,球A,B的碰撞为完全弹性碰撞
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
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