- 动量守恒定律的应用
- 共308题
装甲车和战舰采用多层钢板比采用同样质量的单层钢板更能抵御穿甲弹的射击。通过对一下简化模型的计算可以粗略说明其原因。质量为2m、厚度为2d的钢板静止在水平光滑桌面上。质量为m的子弹以某一速度垂直射向该钢板,刚好能将钢板射穿。现把钢板分成厚度均为d、质量均为m的相同两块,间隔一段距离水平放置,如图所示。若子弹以相同的速度垂直射向第一块钢板,穿出后再射向第二块钢板,求子弹射入第二块钢板的深度。设子弹在钢板中受到的阻力为恒力,且两块钢板不会发生碰撞不计重力影响。
正确答案
解:设子弹的初速为v0,穿过2d厚度的钢板时共同速度为v,受到阻力为f
对系统由动量和能量守恒得: ①
②
由①②得: ③
子弹穿过第一块厚度为d的钢板时,设其速度为v1,此时钢板的速度为u,穿第二块厚度为d的钢板时共同速度为v2,穿过深度为d'
对子弹和第一块钢板系统由动量和能量守恒得: ④
⑤
由③④⑤得: ⑥
对子弹和第二块钢板系统由动量和能量守恒得: ⑦
⑧
由③⑥⑦⑧得:
如图所示,ABCDE是由三部分光滑轨道平滑连接在一起组成的,AB为水平轨道,BCD是半径为R的半圆弧轨道,DE是半径为2R的圆弧轨道,BCD与DE连接在轨道最高点D,R=0.6m。质量为M=0.99 kg的小物块,静止在AB轨道上,一颗质量为m=0.01 kg子弹水平射入物块但未穿出,物块与子弹一起运动,恰能贴着BCDE轨道内侧通过最高点D。取重力加速度g=10 m/s2,求:
(1)物块与子弹一起刚滑上圆弧轨道B点的速度;
(2)子弹击中物块前的速度;
(3)系统损失的机械能。
正确答案
解:(1)由物块与子弹一起恰能通过轨道最高点D,得:
又由物块与子弹上滑过程中根据机械能守恒得:
代入数据得:
(2)由动量守恒:mv=(M+m)vB
v=600 m/s
(3)根据能的转化和守恒定律得:
代入数据得:
如图所示,质量m1=0.3 kg的小车静止在光滑的水平面上,车长L=15 m,现有质量m2=0.2 kg可视为质点的物块,以水平向右的速度v0=2 m/s从左端滑上小车,最后在车面上某处与小车保持相对静止。物块与车面间的动摩擦因数μ=0.5,取g=10 m/s2,求
(1)物块在车面上滑行的时间t;
(2)要使物块不从小车右端滑出,物块滑上小车左端的速度v′0不超过多少。
正确答案
解:(1)设物块与小车的共同速度为v,以水平向右为正方向,根据动量守恒定律有
①
设物块与车面间的滑动摩擦力为F,对物块应用动量定理有
②
其中 ③
解得
代入数据得 ④
(2)要使物块恰好不从车厢滑出,须物块到车面右端时与小车有共同的速度v′,则
⑤
由功能关系有 ⑥
代入数据解得v0′=5m/s
故要使物块不从小车右端滑出,物块滑上小车的速度v0′不能超过5m/s
如图所示,凹槽的水平底面宽度s=0.3m,左侧高度H=0.45m,右侧高度h=0.25m。凹槽的左侧竖直面与半径R=0.2m的1/4光滑圆弧轨道相接,A和B分别是圆弧的端点,右侧竖直面与水平面MN相接。小球P1静止从A点沿圆弧轨道滑下,与静置于B点的小球P2发生弹性碰撞。P2的质量m=1kg,P1的质量是P2质量的k倍。已知重力加速度g=10m/s2,不计空气阻力。
(1)求小球P1从圆弧轨道滑至B点时的速度大小;
(2)若小球P2碰撞后第一落点在M点,求碰撞后P2的速度大小;
(3)设小球P2的第一落点与凹槽左侧竖直面的水平距离为x,试求x的表达式。
正确答案
解:(1)P1从A点滑至B点过程中,根据动能定理有:
解得在B点的速度=2m/s
(2)小球P2从B点到M点,根据平抛运动规律有:
得下落时间
由解得小球P1从C点抛出时的速度
=1.5m/s
(3)根据动量守恒定律有:
根据能量守恒有:
解得:
①若P2落在MN水平面,则
解得
即当时,
②当P2落在凹槽底面时,落地时间
最大抛出速度
所以若P2落在凹槽底面时,则,解得
即当时,
③当时,P2落在右侧竖直面上,故
。
如图所示,水平地研上静止放置着物块B和C,相距l=1.0m物块A以速度v0=10m/s沿水平方向与B正碰碰撞后A和B牢固地粘在一起向右运动,并再与C发生正碰,碰后瞬间C的速度v=2.0m/s已知A和B的质量均为m,C的质量为A质量的k倍,物块与地面的动摩擦困数μ=0.45(设碰撞时间很短,g取10m/s2)
(1)计算与C碰撞前瞬间AB的速度;
(2)根据AB与C的碰撞过程分析k的取值范围,并讨论与C碰撞后AB的可能运动方向。
正确答案
解:(1)设物体A、B的质量分别为mA和mB,A与B发生完全非弹性碰撞后的共同速度为v1。
取向右为速度正方向,由动量守恒定律mAv0=(mA+mB)v1 ①
设AB运动到C时的速度为v2,由动能定理
②
(2)设与C碰撞后AB的速度为v3,碰撞过程中动量守恒,有(mA+mB)v2=(mA+mB)v3+mCv ④
碰撞过程中,应有碰撞前的动能大于或等于碰撞后的动能,即
⑤
由④式,得⑥
联立⑤和⑥式,得k≤6 即:当k=6时,碰撞为弹性碰撞;
当k<6时,碰撞为非弹性碰撞。⑦
碰撞后AB向右运动的速度不能大于C的速度。
由⑥式,得 4 -k≤2k≥2
所以k的合理取值范围是6≥k≥2
综上得到: 当取k=4时,v3=0,即与C碰后AB静止 ⑧
当取4 >k≥2时,v3>0,即与C碰后AB继续向右运动⑨
当取6≥k>4时,v3<0,即碰后AB被反弹向左运动⑩
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