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简答题

[物理——选修3-5](15分)

(1)(5分)以下说法正确的是(   )

(2)(10分)一长为,质量为M的木板静止在光滑的水平面上,一质量为的滑块的初速度滑到木板上,木板长度至少为多少才能使滑块不滑出木板。(设滑块与木板间动摩擦因数为

正确答案

(1)AD

(2)

(1)(5分)(  AD )

(2)(10分)解析:滑块与木板相互作用系统动量守恒,滑块不从木板上滑出则滑块与木板有相等的末速度。设末速度为,滑块滑动位移为S,则木板滑动位移为,由动量守恒定律得   ①           (4分

由动能定理得  ②        ③            

由②③得          (4分)

代入得             (2分) 

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用火箭发射人造地球卫星,假设最后一节火箭的燃料用完后,火箭壳体和卫星一起以速度v=7.0×103 m/s绕地球做匀速圆周运动;已知卫星质量m="500" kg,最后一节火箭壳体的质量M="100" kg;某时刻火箭壳体与卫星分离,分离时刻卫星与火箭壳体沿轨道切线方向的相对速度u=1.8×103 m/s,试分析计算:分离后卫星的速度增加到多大?火箭壳体的速度多大?分离后它们将如何运动?

正确答案

7.3×103 m/s  5.5×103 m/s 离心运动(卫星)向心运动(火箭)

设分离后卫星与火箭壳体相对地面的速度分别为v1和v2,分离时系统在轨道切线方向上动量守恒(m+M)v=mv1+Mv2,且u=v1-v2,

解得v1=7.3×103 m/s,v2=5.5×103 m/s,

卫星分离后,v1>v2,将做离心运动,卫星将以该点为近地点做椭圆运动.

而火箭壳体分离后的速度v2=5.5×103 m/s<v,因此做向心运动,其轨道为以该点为远地点的椭圆运动,若进入大气层,它的轨道将不断降低,最后将会在大气层中烧毁.

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在光滑的高5 m的平台上,有一个质量为1.9 kg的木块,质量为0.1 kg的子弹以20 m/s的水平速度射入木块并留在木块中,求木块落地后的水平位移大小?

正确答案

1 m

设子弹初速度方向为正,由动量守恒定律知:

mv0=(M+m)v

v=m/s="1" m/s

离开平台后木块做平抛运动,下落时间t=s="1" s

故水平位移s="vt=1×1" m="1" m.

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在“验证碰撞中的动量守恒”的实验中称得入射小球1的质量m1="15" g,被碰小球2的质量m2="10" g,由实验得出它们在碰撞前后的xt图线如图1-4中的1、1′、2′所示,则由图可知,入射小球在碰前的动量是___________g·cm/s,入射小球在碰后的动量是___________g·cm/s,被碰小球的动量是___________g·cm/s,由此可得出结论___________.

图1-4

正确答案

1 500  750  750 碰撞前后动量守恒

xt图象反映速度的变化情况,从中要读出速度的大小,并分析出碰前还是碰后的情况.

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如图8-8-6所示,在光滑水平面上有甲、乙两辆完全相同的小车,质量都为M="1.0" kg,乙车内用轻绳吊一质量为m="0.5" kg的小球.当乙车静止时,甲车以速度v与乙车相碰,若碰撞时间极短,且碰后两车连为一体,则碰后瞬间两车的共同速度为________.当小球摆到最高点时,车的速度为________.

图8-8-6

正确答案

0.5v  0.4v

甲、乙两车碰撞时间极短,故碰撞瞬间,小球速度为0,甲、乙两车系统动量守恒,

Mv=2Mv1,可得v1=0.5v,即为二车共同速度.

当小球摆到最高点时,小球、甲车、乙车三者达到共同速度,设为v2

由动量守恒Mv=(2M+m)v2,得v2=0.4v.

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在建筑工地上,我们常常看到工人用重锤将柱桩打入地下的情景.对此,我们可以建立这样一个力学模型:重锤质量为m,从高H处自由下落,柱桩质量为M,重锤打击柱桩的时间极短且不反弹.不计空气阻力,桩与地面间的平均阻力为f。利用这一模型,有一位同学求出了重锤一次打击柱桩进入地面的深度.

设柱桩进人地面的深度为h,则对垂锤开始下落到锤与柱桩一起静止这一全过程运用动能定理,得;得出

(1)你认为该同学的解法是否正确?请说出你的理由.

(2)假设每一次重锤打击柱桩时锤的速度为一定值,要使每一次重锤打击后桩更多地进入地下,为什么要求锤的质量远大于桩的质量?

正确答案

(1)不对,因为在锤与桩碰撞过程中系统动能有损失(2)见解析

)解:(1)不对,因为在锤与桩碰撞过程中系统动能有损失.(4分)

(2)设锤每次打桩的速度都是v,发生完全非弹性碰撞后的共同速度是

则mv=(M+m)    (3分)

非弹性碰撞后二者的动能为   (2分)

当m>>M时,碰后二者的动能越趋向于(初动能),即能量在碰撞过程中的损失趋向于零,故要求m>>M (3分)

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如图所示,光滑水平直轨道上放置长木板B和滑块C,滑块A置于B的左端,且A、B间接触面粗糙,三者质量分别为mA =" 1" kg 、mB =" 2" kg、 mC =" 23" kg .开始时 A、B一起以速度v0 ="10" m/s向右运动,与静止的C发生碰撞,碰后C向右运动,又与竖直固定挡板碰撞,并以碰前速率弹回,此后B与C不再发生碰撞.已知B足够长,A、B、C最终速度相等.求B与C碰后瞬间B的速度大小.

正确答案

7.25 m/s

试题分析:设碰后B速度为vB ,C速度为vC , 以向右为正方向,由动量守恒定律得

mB v0 = mCvC - mB vB

BC碰后,A、B在摩擦力作用下达到共同速度,大小为vC ,由动量守恒定律得

mA v0 - mB vB = -(mA + mB)vC  

代入数据得vB =" 7.25" m/s

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(12分)如右图,半径为R的光滑圆形轨道固定在竖直面内。小球A、B质量分别为m、βm(β为待定系数)。A球从左边与圆心等高处由静止开始沿轨道下滑,与静止于轨道最低点的B球相撞,碰撞后A、B球能达到的最大高度均为1/4R,碰撞中无机械能损失。重力加速度为g。

求:(1)待定系数β

(2)第一次碰撞刚结束时小球A、B各自的速度和B球对轨道的压力

(3)小球A、B在轨道最低处第二次碰撞刚结束时各自的速度,并讨论小球A、B在轨道最低处第n次碰撞刚结束时各自的速度

正确答案

(1)β=3

(2) vA,方向向左;   vB,方向向右;

N=4.5mg,方向竖直向下

(3)  VA 方向向左;     vB=0。

由此可得:当n为奇数时,小球A、B在第n次碰撞刚结束时的速度分别与其第一次碰撞刚结束时相同;

当n为偶数时,小球A、B在第n次碰撞刚结束时的速度分别与其第二次碰撞刚结束时相同;

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如图1-6-8所示,甲车质量为2 kg,静止在光滑水平面上,上表面光滑,右端放一质量为1 kg的小物体.乙车质量为4 kg,以5 m/s的速度向左运动,与甲车相碰后甲车获得8 m/s 的速度,物体滑到乙车上.若乙车足够长,上表面与物体的动摩擦因数为0.2,则物体在乙车上滑行多长时间相对乙车静止?

图1-6-8

正确答案

0.4 s

甲、乙两车相撞过程中动量守恒,所以mv0=mv + mv                    

小物体与乙车相互作用中动量守恒,设其最终速度为 v,则

mv=(m + m)v                                                        ②

设小物体在乙车上滑行时间为 t,则对小物体应用动量定理,得

μmgt=mv                                                              

代入数据联立①②③解得t="0.4" s.

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如图 1-6-7 所示,静止在光滑水平面上的小车质量为 M="20" kg.从水枪中喷出的水柱的横截面积为 S="10" m2,速度为 v="10" m/s,水的密度为ρ=1.0×103 kg/m3.若用水枪喷出的水从车后沿水平方向冲击小车的前壁,且冲击到小车前壁的水全部沿前壁流进小车中.当有质量为 m="5" kg 的水进入小车时,试求:

图1-6-7

(1)小车的速度大小;

(2)小车的加速度大小.

正确答案

(1)2 m/s (2)2.56 m/s2

(1)流进小车的水与小车组成系统,动量守恒.当流入质量为 m 的水后,小车的速度为 v1,则 mv=(m+M)v1,即 v1=="2" m/s.

(2)质量为 m 的水流进小车后,在极短的时间Δt 内冲击小车的水的质量为Δm=ρS(v-v1)Δt ,此时水对小车的冲力为 F,则车对水的作用力也为 F,据动量定理 -FΔt=Δmv1-Δmv,F=ρS(v-v12="64" N,则加速度a=="2.56" m/s2.

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