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简答题

如图所示,足够长的水平粗糙轨道与固定在水平面上的光滑弧形轨道在P点相切,质量为m的滑块B静止于P点;质量为2m的滑块A由静止开始沿着光滑弧形轨道下滑,下滑的起始位置距水平轨道的高度为h,滑块A在P点与静止的滑块B碰撞后,两滑块粘合在一起共同向左运动。两滑块均可视为质点,且与水平轨道的动摩擦因数均为μ,P点切线水平。求:

(1)滑块A到达P点与B碰前瞬间的速度大小;

(2)两滑块最终停止时距P点的距离。

正确答案

解:(1)设滑块A到达P点与B碰前瞬间的速度为,由机械能守恒定律有

解得

(2)设滑块A与B碰撞后的共同速度为v,由动量守恒定律有

两滑块粘合在一起共同向左运动,设最终停止时距P点的距离为s,由动能定理有

联立上述式子并代入数据解得

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简答题

如图所示,固定的光滑水平绝缘轨道与半径为R=0.2m、竖直放置的光滑绝缘的圆形轨道平滑连接,圆形轨道处于电场强度大小为,方向水平向右的匀强电场中。光滑水平绝缘轨道上有A、B、C、D四个可看作为质点的小球,已知mA=mD=0.1kg,mB=mC=0.2kg,A球带正电,电量为q,其余小球均不带电。小球C、D与处于原长的轻弹簧2连接,小球A、B中间压缩一轻且短的弹簧(弹簧弹力足够大),轻弹簧与A、B均不连接,在圆轨道的最低点由静止释放A、B后,A球在圆轨道运动时恰能做完整的圆周运动,B被弹开后与C小球碰撞且粘连在一起,设碰撞时间极短。g取10m/s2。试求:

(1)A球离开弹簧后的最小速度以及刚进入圆轨道时对轨道的压力的大小?

(2)弹簧2的最大弹性势能?

正确答案

解:(1)因带电小球A恰能做完整的圆周运动,则小球通过复合场中的最高点P的向心力由小球A的重力和电场力的合力提供,由圆周运动知识,此时速度为最小速度

设此时的速度大小为v,方向与重力的方向的夹角为θ

由牛顿第二定律:

解得:v=2m/s,tanθ=,θ=30°

小球A从圆周轨道的最低点运动到P的过程中,由动能定理有:

-mAg(R+Rsin30°)-EqRcos30°=

代入值得:vA=4m/s

在最低点位置,由牛顿第二定律:

解得:F=9N

由牛顿第三定律,A球离开弹簧后刚进入圆轨道时对轨道的压力的大小为9N

(2)在圆周轨道的最低点弹簧将B、A两球向左、右弹开,设弹开时A、B两球的速度大小分别为vA、vB由动量守恒有:mAvA=mBvB

代入值得:vB=vA/2= 2m/s

B与C碰撞动量守恒,设BC碰后速度为v1,则:mBvB=(mB+mC)v1

得:v1=1m/s

BC碰后,整体减速,D球加速,当两者速度相等(设为v2)时,弹簧最短,弹性势能最大

由动量守恒有:mBvB=(mB+mC+ mD)v2代入值得:v2=0.8m/s

由能量守恒得:J

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简答题

有一倾角为θ的斜面,其底端固定一档板,另有三个木块A、B、C,它们的质量分别为mA=mB=m,mC=3m,它们与斜面间的动摩擦因数都相同。其中木块A和一轻弹簧连接,放于斜面上,并通过轻弹簧与档板M相连,如图所示。开始时,木块A静止在P点,弹簧处于原长,木块B在Q点以初速度v0沿斜面向下运动,P、Q间的距离为l,已知木块B在下滑过程中做匀速直线运动,与木块A碰撞后立刻一起沿斜面向下运动,但不粘连,它们到达一个最低点后向上运动,木块B向上运动恰好能回到Q点。现将木块C从Q点以初速度沿斜面向下运动,木块A仍静止于P点,经历同样的过程,最后木块C停在斜面上的R点(图中未画出)。求:

(1)A、B一起开始压缩弹簧时速度v1

(2)A、B压缩弹簧的最大长度;

(3)P、R间的距离l'的大小。

正确答案

解:(1)木块B下滑做匀速运动,有mgsinθ=μmgcosθ

B和A碰撞后,设速度为v1,根据动量守恒定律得mv0=2mv1

解得v1=

(2)设两木块向下压缩弹簧的最大长度为x,两木块被弹簧弹回到P点时的速度为v2,根据动能定理得

一μ2mgcosθ2x=2mv2mv

两木块在P点处分开后,木块B上滑到Q点的过程中,根据动能定理得

一(mgsinθ+μmgcosθ)l=0一mv

解得x=一l

(3)木块C与A碰撞前后速度为v1',根据动量守恒定律得3m=4mv1'

解得v1'=

设木块C和A压缩的最大长度为x',两木块被弹簧弹回到P点时的速度为v2',根据动能定理得

一μ4mgcosθ2x'=4mv'4mv'

木块C与A在P点处分开后,木块C上滑到R的过程中,根据动能定理得

一(3mgsinθ+μ3mgcosθ)l'=0一3mv'

在木块压缩弹簧的过程中,重力对木块所做的功与摩擦力对木块所做的功大小相等,因此,木块B和A压缩弹簧的初动能Ek1==

木块C与A压缩弹簧的初动能Ek2==

即Ek1=Ek2

因此,弹簧先后两次的最大压缩量相等,即x=x',综上可得l'=l一

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如图,倾角为θ的斜面固定。有n个质量都为m的相同的小木块(可视为质点)放置在斜面上。相邻两小木块间距离都为l,最下端的木块距底端也是l,小木块与斜面间的动摩擦因数都为μ。在开始时刻,第一个小木块从斜面顶端以初速度v0沿斜面下滑,其余所有木块都静止,由于第一个木块的下滑将依次引起一系列的碰撞。设每次碰撞的时间极短,在每次碰撞后,发生碰撞的木块都粘在一起运动,直到最后第n个木块到达底端时,速度刚好为零。己知重力加速度为g。求:

(1)第一次碰撞后小木块l的速度大小v;

(2)从第一个小木块开始运动到第一次碰撞后系统损失的机械能△E;

(3)发生一系列碰撞后,直到最后第n个木块到达底端,在整个过程中,由于碰撞所损失的总机械能△E

正确答案

解:(1)设小木块1碰前的速度为v1,从开始运动到碰前,根据动能定理

对小木块1和2,由动量守恒

求出

(2)碰撞前损失的机械能为

因碰撞损失的机械能为

求出

(3)对n个木块碰撞的全过程

重力做的总功WG=

克服摩擦做的总功

根据功与能的关系

由以上各式求出

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如图所示,质量为m3=3kg的滑道静止在光滑的水平面上,滑道的AB部分是半径为R=0.15m的四分之一的圆弧,圆弧底部与滑道水平部分相切,滑到水平部分右端固定一个轻弹簧。滑道除CD部分粗糙外其他部分均光滑。质量为m2=2kg的物体2(可视为质点)放在滑道的B点,现让质量为m1=1kg的物体1(可视为质点)自A点静止释放,两物体在滑道BC之间相碰后并粘为一体(g=10m/s2)。

(1)求物体1从释放到与物体2相碰的过程中,滑道向左运动的距离;

(2)若CD=0.1m,两物体与滑道的CD部分的动摩擦因数都为,求在整个运动过程中,弹簧具有最大弹性势能。

正确答案

解:(1)m1从释放到与m2相碰撞过程,m1、m3组成的系统水平方向动量守恒,设m1水平位移大小s1,m3水平位移大小s3,有

可以求得

(2)设m1、m2刚要相碰时物体1的速度v1,滑道的速度为v3,由机械能守恒定律有

由动量守恒定律有

设物体1和物体2相碰后的共同速度为v2,由动量守恒定律有

弹簧第一次压缩最短时由动量守恒定律可知物体1、2和滑道速度为零,此时弹性势能最大,设为Epm。从物体1、2碰撞后到弹簧第一次压缩最短的过程中,由能量守恒有

联立以上方程,代入数据可得

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如图所示,长为0.60m的木板A,质量为1kg,板的右端放有物块B,质量为3kg,它们一起在光滑水平面上向左匀速运动,速度,以后木板A与等高的竖直固定档板C发生碰撞,碰撞时间极短,且碰撞时没有机械能损失,物块B与木板A间的动摩擦因数0.4,取重力加速度,问A、C能否发生第二次碰撞,请通过计算说明理由。若能,则第一次碰撞后再经多长时间A与C发生第二次碰撞;若不能,则第一次碰撞后A做什么运动。

正确答案

解:由于A与C碰撞没有机械能损失,A碰后原速率弹回,以向右运动,若能与C发生第二次撞,则要求A在B对他的摩擦力的作用下,重新向左运动,且B没有滑出A。

      设B没滑出A,达到共同速度为v,由动量守恒定律(向左为正),有

     

      解得,方向向左

      B在A上滑过的距离为SBA,则

      解得SBA=0.5m<L,B不能滑出A,故可以与C发生第二次碰撞。

      A与B达到共同速度前做匀变速运动,达到共同速率后做匀速直线运动,设加速度为a

      μmBg=mAa, a=12m/s2

      A与B达到共同速度经历的时间为t1 

      t1=v0-v/a=0.25s

      此过程A对地向右的位移为s

      s= v02-v2/2a=0.125m, t2=s/v=0.125s

      所以,第一次碰撞后再与C发生第二次碰撞所经历的时间为:

      t=t1+t2=0.375s

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如图所示,在一个倾角为θ的光滑斜面底端有一个挡板,物体B和物体C用劲度系数为k的轻弹簧连接,静止在斜面上。将一个物体A从距离物体B为H处由静止释放,沿斜面下落后与物体B碰撞,碰撞后A与B黏合在一起并立刻向下运动,在以后的运动中A、B不再分离。已知物体A、B、C的质量均为M,重力加速度为g,忽略各物体自身的大小及空气阻力。求:

(1)A与B碰撞后瞬间的速度大小;

(2)A和B一起运动达到最大速度时,物体C对挡板的压力为多大?

(3)开始时,物体A从距B多大距离由静止释放时,在以后的运动中才能使物体C恰好离开挡板?

正确答案

(1)

(2)3Mgsinθ

(3)

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如图所示,一质量为m的小物块B,放在质量为M的长木板A的左端,m=3M。长木板A静止在光滑水平面上,A、B之间的动摩擦因数为μ。现使二者一起以初速度开始向右运动,运动一段距离后,长木板A与固定竖直挡板相撞。已知A与挡板碰撞时间极短,且无机械能损失。运动过程中,B始终没从长木板A上脱落。求:

(1)长木板A第二次与挡板碰撞前,B在A上的滑痕长度s;

(2)当长木板A长度L满足什么条件时,保证B不会从A上脱落。

正确答案

解:(1)长木板A与挡板碰后,被等速率反弹。木板A与物块B系统动量守恒,设第一次达到共速,取向左为正。则有: 

     

      解得,方向向右

      长木板A向左作匀减速运动,共速时滑痕最长。设最大滑痕为s1      据能量守恒:

      解得:

(2)B始终没从板A上脱落,则长木板A与B将再次共速,一起向右运动,重复(1)问中的运动,直至二者速度均为零,板A右端挨着挡板。由于B一直相对A向右运动,则B相对A滑动的总路程与B相对A滑动的位移相等。设木板最短长度为,据系统能量守恒,则有:

     

      解得:

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如图,木板A静止在光滑水平面上,其左端与固定台阶相距x.与滑块B(可视为质点)相连的细线一端固定在O点.水平拉直细线并给B一个竖直向下的初速度,当B到达最低点时,细线恰好被拉断,B从A右端的上表面水平滑入.A与台阶碰撞无机械能损失,不计空气阻力.

已知A的质量为2m,B的质量为m,A、B之间动摩擦因数为μ;细线长为L、能承受的最大拉力为B重力的5倍;A足够长,B不会从A表面滑出;重力加速度为g.

(1)求B的初速度大小v0和细线被拉断瞬间B的速度大小v1(2)A与台阶只发生一次碰撞,求x满足的条件

(3)x在满足(2)条件下,讨论A与台阶碰撞前瞬间的速度

正确答案

解:(1)滑块B从释放到最低点,机械能守恒,有:……①

在最低点,由牛顿运动定律:……②

又:……③

联立①②③得:

(2)设A与台阶碰撞前瞬间,A、B的速度分别为vA和vB,由动量守恒

……④

若A与台阶只碰撞一次,碰撞后必须满足:……⑤

对A应用动能定理:……⑥

联立④⑤⑥解得:……⑦

即A与台阶只能碰撞一次的条件是:

(3)设x=时,A左端到台阶板前瞬间,A、B恰好达到共同速度,由动量守恒

……⑧

对A应用动能定理:……⑨

联立⑧⑨得:……⑩

(i)当时,AB共速后A与挡板碰撞.

由⑧可得A与台阶碰撞前瞬间的速度:……⑩

(ii)当时,AB共速前A就与台阶碰撞,

对A应用动能定理:

A与台阶碰撞前瞬间的速度:

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如图所示,一质量为的小车静止在光滑水平面上,水平面左右两侧均为固定的竖直墙壁,左侧与一光滑固定的1/4圆弧相连,半径=0.8 m,圆弧底端切线水平且与车的上表面平齐,将一质量为的小滑块(可视为质点)从圆弧顶端由静止释放后滑下,滑块与车的上表面间的动摩擦因数μ=0.3,已知=3,小车所在的水平面足够长(即滑块与小车的速度相同前小车不会与墙壁相碰),且小车每次与墙壁的碰撞都不损失机械能(取=10 m/s2).求:

(1)小车第一次与墙壁相碰前的速度.

(2)要保证滑块始终不从车上掉下来,车长至少为多少?

正确答案

解:(1)滑块下滑到圆弧底端时速度设为0,第一次与墙壁碰撞前共同速度设为1根据机械能守恒:02

滑块在车上滑动过程中系统动量守恒:0=()1

又由题意知:=3

联立①②③并代入数据解得:1=1 m/s

即小车第一次与墙壁相碰撞前的速度为1 m/s

(2)设小车第一次与墙壁相碰撞前滑块在车上相对滑过的距离设为1,根据能量守恒有:

μ102()12

小车第一次与墙壁碰后反向向左运动,二者共同速度运动时的速度设为2在此过程中,车与滑块系统动量守恒:11=()2

设此过程中滑块相对小车向右滑动的距离为2根据能量守恒有:μ2()12()22

经研究发现,此后小车与墙壁两侧分别碰撞后,滑块与小车系统损失的机械能逐次减少,相对滑过的距离也减小,而且相对滑动的方向依次改变,故车长至少应为12

联立④⑤⑥⑦并代入数据解得:=2.5 m

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【选修3-5选做题】

如图,质量为m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轨道距地面有一定的高度,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?(要求通过计算回答)

正确答案

解:(1)设a球经C点时速度为vC,则由机械能守恒得

解得,即a与b球碰前的速度为

(2)设a球与b球碰后的速度为v,由动量守恒得

mvC=(m+m)v

小球被细绳悬挂绕O点摆动时,若细绳拉力为FT,则

解得FT=3mg

FT>2.8mg,细绳会断裂

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(选修3-5选做题)

如图所示,物体A、B的质量分别是mA=4kg、mB=6kg,用轻弹簧相连接放在光滑的水平面上,物体B左侧与竖直墙相接触。另有一个物体C以速度v0=6m/s向左运动,与物体A相碰,碰后立即与A粘在一起不再分开,然后以v=2m/s的共同速度压缩弹簧,试求:

(1)物块C的质量mC

(2)在B离开墙壁之后,弹簧的最大弹性势能。

正确答案

解:(1)对A、C在碰撞过程中动量守恒

可知:

代入可得:=2kg

(2)当B离开墙壁时,弹簧处于原长,A、C以2m/s速度向右运动。当A、B、C获得共同速度时,弹簧弹性势能最大

对A、B、C系统,动量守恒可知:

可得:

由能量守恒可知:

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简答题

如图所示,在光滑的水平面上有一块质量为2m的长木板A,木板左端放着一个质量为m的小木块B,A与B之间的动摩擦因数为μ,开始时,A和B一起以v0向右运动,木板与墙发生碰撞的时间极短,碰后木板以原速率弹回,求:

(1)木板与小木块的共同速度大小并判断方向;

(2)由A开始反弹到A、B共同运动的过程中,B在A上滑行的距离L;

(3)由B开始相对于A运动起,B相对于地面向右运动的最大距离s。

正确答案

解:(1)撞后无机械能损失A将以原速率返回

由动量守恒:

解得:,方向向左

(2)由能的转化与守恒定律得:

解得:

(3)B相对于地面速度为0时有最远的向右位移

由牛顿第二定律和匀变速直线运动规律得:

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简答题

如图所示,在粗糙水平桌面上沿一条直线放两个完全相同的小物体(可看做质点),质量均为,相距到桌边缘的距离是2。对施以瞬时水平冲量,使沿连线以初速度0运动。设两物体碰撞时间很短,碰后不再分离。为使两物体能发生碰撞,且碰撞后又不会离开桌面,求物体与水平面间的动摩擦因数μ应满足的条件。

正确答案

解:对由动能定理得:

1=0,解得μ的最大值:

碰撞,动量守恒,以0方向为正方向,有:1=22滑行过程:

解得μ的最小值:所以μ的取值范围为:

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简答题

【选修3-5选做题】

如图所示,在高为=5m的平台右边缘上,放着一个质量=3kg的铁块,现有一质量为=1kg的钢球以0=10m/s的水平速度与铁块在极短的时间内发生正碰被反弹,落地点距离平台右边缘的水平距离为=2m.已知铁块与平台之间的动摩擦因数为0.5,求铁块在平台上滑行的距离(不计空气阻力,铁块和钢球都看成质点).

正确答案

解:设钢球反弹后的速度大小为1,铁块的速度大小为,碰撞时间极短系统动量

  ①  

钢球做平抛运动   ②        

    ③

由②③①解得t=1s,v1=2m/s,v=4m/s

铁块做匀减速直线运动,加速度大小=5m/s2   ④

最终速度为0,则其运行时间=0.8s   ⑤

所以铁块在平台右滑行的距离=1.6m  ⑥

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