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简答题

【选修3-5选做题】

静止的锂核63Li俘获一个速度为8×106 m/s的中子,发生核反应后若只产生了两个新粒子,其中一个粒子为氮核42He,它的速度大小是8×106 m/s,方向与反应前的中子速度方向相同,求反应后产生的另一个粒子的速度。

正确答案

解:完成此核反应的方程式:63Li+10n→42He+31H

由动量守恒定律可知:=42+33v3=-8×106 m/s  

即:反应后所产生的另一个粒子的速度大小为8×106 m/s,方向与反应前的中子速度方向相反

由能量定恒得 

    

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简答题

如图所示,质量为m的子弹,以速度v水平射入用轻绳悬挂在空中的木块,木块的质量为M,绳长为L,子弹射入木块即停留在木块中,求子弹射入木块的瞬间绳子张力的大小。

正确答案

解:子弹射入木块,由动量守恒定律,设木块(含子弹)速度为v',则mv=(M+m)v' ①

木块(含子弹)做圆周运动,由牛顿定律得

由①②可求得张力大小

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如图所示,在光滑水平面上有两个并排放置的木块A、B,已知mA=0.5kg,mB=0.3 kg。现有质量m0=0.08 kg的小物块C以初速v0=25m/s在A表面沿水平方向向右滑动,由于C与A、B间均有摩擦,C最终停在B上,B、C最后的共同速度v=2.5 m/s。求:

(1)A木块的最终速度的大小;

(2)C物块滑离A木块的瞬时速度大小。

正确答案

解:小物块C沿木块A表面滑动时,A对C的摩擦力使C做减速运动,使A、B共同做加速运动;C滑上B后,C继续做减速运动,B继续加速,A匀速运动,A、B开始分离,直至C、B达到共同速度,然后C、B一起做匀速运动,在上述过程中,A、B、C构成的系统所受的合外力为零,系统的动量守恒。设木块A的最终速度为v1,C滑离A时的速度为v2,由动量守恒定律,则

(1)对A、B、C有m0v0=mAv1+(mB+m0)v,解得v1=2.1m/s

(2)当C滑离A后,对B、C有m0v2+mBv1=(mB+m0)v

或对A、B、C有m0v0=(mA+mB)v1+m0v2

解得v2=4 m/s

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如图所示,长为3.2 m的轻绳上端固定,下端连接一个质量为10kg的平板,质量均为40 kg的甲乙两人一前一后分别向右匀速运动,甲跳上平板之后恰好可以使绳转过60°而到达对面的平台上而轻轻的走上平台,平板被释放后第一次回到最低点时乙又刚好跳上平板,若乙也能到达对面的平台上,g=10 m/s2,则:

(1)甲匀速运动的速度为多大?

(2)乙匀速运动的速度至少为多大?

正确答案

解:(1)甲跳上平板的过程,甲与平板水平方向上动量守恒:Mv1=(M+m)v'1甲与平板到达平台上机械能守恒:

解得

(2)设乙的速度至少为v2时能到达对面平台

则Mv2-mv'1=(M+m)v'1

解得

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如图所示,木板A质量mA=1 kg,足够长的木板B质量mB=4 kg,质量为mC=2 kg的木块C置于木板B上,水平面光滑,B、C之间有摩擦。现使A以v0=12 m/s的初速度向右运动,与B碰撞后以4 m/s速度弹回。求:

(1)B运动过程中的最大速度大小。

(2)C运动过程中的最大速度大小。

正确答案

解:(1)A与B碰后瞬间,B速度最大,由A、B系统动量守恒(取向右为正方向)有:

mAv0+0=-mAvA+mBvB

代入数据得:vB=4 m/s

(2)B与C共速后,C速度最大,由BC系统动量守恒,有:

mBvB+0=(mB+mC)vC

代入数据得:vC=2 m/s

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质量为M的小船以速度v0行驶,船上有两个质量皆为m的小孩a和b,分别静止站在船头和船尾。现小孩a沿水平方向以速率v(相对于静止水面)向前跃入水中,然后小孩b沿水平方向以同一速率v(相对于静止水面)向后跃入水中。求小孩b跃出后小船的速度。

正确答案

解:取小船和两个小孩为一个系统进行研究,则此系统动量守恒

如题图所示,取小船原来运动的方向为正方向,作用前的动量为(M+2m)v0作用后,小a的动量为mv,小孩b的动量为-mv,设小船后来的速度为v',则小船动量为Mv',据动量守恒定律得:

(M+2m)v0=mv-mv+Mv'

解得

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如图所示,质量为M上下表面光滑的长木板放在水平面上静止,右端用细线拴在竖直墙上,左端固定有一根轻弹簧。质量为m的小铁块以初速度v0从木板右端向左滑上木板,并压缩弹簧。当小铁块的速度减小为初速度的一半时,弹簧的弹性势能为E,此时细线刚好被拉断。求:为使木板能获得最大动能,M与m的比值应该是多大?(不计任何摩擦)

正确答案

解:设小铁块初速度为v0,则:

由能量守恒定律得E=mv02v02mv02

要使木板能获得最大动能,则弹簧恢复原长时,铁块速度为0

由动量守恒和能量关系得:m×v0=Mv1Mv12v02+E

可得:

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光滑水平面上放着一质量为M的槽,槽与水平面相切且光滑,如图所示,一质量为m的小球以v0向槽运动。

(1)若开始时槽固定不动,求小球上升的高度(槽足够高);

(2)若开始时槽不固定,则小球又能上升多高。

正确答案

解:(1)槽固定时,设球上升的高度为h1,由机械能守恒定律得

,解得

(2)槽不固定时,设球上升的最大高度为h2,此时两者速度相同而且方向水平,设为v,由动量守恒得mv0=(m+M)v

再由机械能守恒得

解得槽不固定时小球上升的高度

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如图所示,一轻质弹簧两端各连一质量为m的滑块A和B,两滑块都置于光滑的水平面上,今有质量为m的子弹以水平速度v0射入A中不再穿出,试分析弹簧在什么状态下滑块B具有最大动能,其值多大?

正确答案

弹簧处于原长时B的动能最大,其值为

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如图,质量为的b球用长h的细绳悬挂于水平轨道BC的出口C处。质量也为m的小球a,从距BC高h的A处由静止释放,沿ABC光滑轨道滑下,在C处与b球正碰并与b粘在一起。已知BC轨道距地面的高度为,悬挂b球的细绳能承受的最大拉力为2.8mg。试问:

(1)a与b球碰前瞬间的速度多大?

(2)a、b两球碰后,细绳是否会断裂?若细绳断裂,小球在DE水平面上的落点距C的水平距离是多少?若细绳不断裂,小球最高将摆多高?

正确答案

解(1)设a球经C点时速度为,则由机械能守恒得

解得,即a与b球碰前的速度为

(2)设b球碰后的速度为,由动量守恒得

小球被细绳悬挂绕O摆动时,若细绳拉力为T,则

解得

,细绳会断裂,小球做平抛运动。

设平抛的时间为t,则

故落点距C的水平距离为

小球最终落到地面距C水平距离处。

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一辆平板车沿光滑平面运动,车的质量,运动速度为,求在下列情况下,车的速度变为多大?

(1)一个质量为的沙包从5m高处落入车内;

(2)将质量的沙包,以的速度迎面水平扔入车内。

正确答案

解:(1)沙包和车组成一个系统,沙包在刚落入车内那一时刻,在水平方向的速度为零(注意是沙包刚落入车内在竖直方向的速度,它在水平方向的分速度为零),最后沙包停在车上,沙包和车有共同的速度,根据水平方向的动量守恒,可得:

       

     

(2)取车运动方向为正,mv0-m'v1=(m+m')v2 

     

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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没有能量损失,求两小球质量之比m1 /m2是多少?

正确答案

解:

解得:

由题意得

解得

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简答题

两块高度相同的木块A和B,紧靠着放在光滑的水平面上,其质量分别为mA=2kg,mB=0.9kg。它们的下底面光滑,但上表面粗糙。另有一质量mC=0.1kg的物体C(可视为质点)以vC=10m/s的速度恰好水平地滑到A的上表面,物体C最后停在B上,此时B、C的共同速度v=0.5m/s,求木块A的速度为多大?

正确答案

解:根据动量守恒定律:mCvC=mAvA+(mB+mC)v  

VA=0.25m/s

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(选修3-5选做题)

如图所示,一质量m1=0.45kg的平顶小车静止在光滑的水平轨道上。车顶右端放一质量m2=0.5kg的小物体,小物体可视为质点。现有一质量m0=0.05kg的子弹以水平速度v0=100m/s射中小车左端,并留在车中,最终小物块以2m/s的速度与小车脱离。子弹与车相互作用时间很短;物块与车上表面之间动摩擦因数为μ=0.8。g取10m/s2。求:

(1)子弹刚刚射入小车时,小车的速度大小;

(2)小车的长度L。

正确答案

解:(1)子弹进入小车的过程中,子弹与小车组成的系统动量守恒,由动量守恒定律得:

m0v0=(m0+m1)v1

解得v1=10m/s

(2)三物体组成的系统动量守恒,由动量守恒定律得:

(m0+m1)v1=(m0+m1)v2+m2v3

解得:v2=8 m/s

车长L=2m

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(选做题,选修3-5)

质量为mB=2 kg的平板车B上表面水平,开始时静止在光滑水平面上,在平板车左端静止着一块质量为mA=2 kg的物体A,一颗质量为m0=0.01 kg的子弹以v0=600 m/s的水平初速度瞬间射穿A后,速度变为v=100 m/s,已知A、B之间的动摩擦因数不为零,且A与B最终达到相对静止。求:

(1)物体A的最大速度vA

(2)平板车B的最大速度vB

正确答案

解:

①子弹穿过物体A的过程中,对子弹和物块A,由动量守恒定律得: m0v0=m0v+mAvA解得:v4=2.5m/s;

②对物块A和平板车B,由动量守恒定律得: mAvA=(mA+mB)vB

解得:vB=1.25m/s。

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