- 弹性碰撞和非弹性碰撞
- 共325题
1920年,质子已被发现,英国物理学家卢瑟福曾预言可能有一种质量与质子相近的不带电的中性粒子存在,他把它叫做中子。1930年发现,在真空条件下用a射线轰击铍(Be)时,会产生一种看不见的、贯穿力极强的不知名射线和另一种粒子。经过研究发现,这种不知名射线具有如下的特点:①在任意方向的磁场中均不发生偏转;②这种射线的速度小于光速的十分之一;③用它轰击含有氢核的物质,可以把氢核打出来;用它轰击含有氮核的物质,可以把氮核打出来,并且被打出的氢核的最大速度vH和被打出的氮核的最大速度vN之比近似等于15:2。若该射线中的粒子均具有相同的能量,与氢核和氮核碰前氢核和氮核均为静止,碰撞过程中没有机械能的损失。已知氢核的质量MH与氮核的质量MN之比等于1:14。试根据上面所述的各种情况,通过具体分析说明该射线是不带电的,但不是γ射线,而是由中子组成的。
正确答案
解:由特点①可知该射线不带电,是由电中性的粒子流组成的
设该射线的粒子质量为m,轰击氢核和氮核前速度为v,碰撞过程无机械能损失,题目给出的氢核和氮核的速度是未知粒子与之发生正碰后的速度,设该粒子正碰后速度为v1,在打出氢核的过程中,有
动量守恒:mv= mv1+MHvH
机械能守恒:mv2/2=mv12/2+MHvH2/2
联立以上两式得vH=2mv/(m+MH)
同理,在打出氮核的过程中,可解得vN=2mv/(m+MN)
代入vH、vN的数值和MH:MN=1:14
解得m=1.16MH,该粒子的质量与氢核质量近似相等,这种粒子是中子
倾角为30°的足够长光滑斜面下端与一足够长光滑水平面相接,连接处用一光滑小圆弧过渡,斜面上距水平面高度分别为h1=5 m和h2=0.2 m的两点上,各固定一小球A和B。某时刻由静止开始释放A球,经过一段时间t后,同样由静止开始释放B球。g取10 m/s2,则:
(1)为了保证A、B两球不会在斜面上相碰,t最长不能超过多少?
(2)在满足(1)的情况下,为了保证两球在水平面上的碰撞次数不少于两次,两球的质量mA和mB应满足什么条件?(假设两球的碰撞过程没有能量损失)
正确答案
解:(1)设两球在斜面上下滑的加速度为a,根据牛顿第二定律得:mgsin30°=ma
设A、B两球下滑到斜面底端所用时间分别为t1和t2,则:,
所以:t=t1-t2=1.6 s
(2)设A、B两球下滑到斜面底端时速度分别为v1和v2,第一次相碰后速度分别为vA和vB,则根据机械能守恒:=mAgh1 ①,
=mBgh2 ②
根据动量守恒和能量守恒
mAv1+mBv2=mAvA+mBvB ③
④
为使两球能发生第二次碰撞,应满足vA<0且|vA|>vB ⑤
由①②③④⑤代入数据后可得:
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
光滑水平面上,用轻弹簧相连接的质量均为2kg的A,B两个物块都以v0=6m/s的速度向右运动,弹簧处于原长,质量为4kg的C静止在前方,如图所示,B与C发生碰撞后粘合在一起运动,在以后的运动中,求:
(1)弹簧弹性势能的最大值是多少?
(2)当A的速度为零时,弹簧的弹性势能是多少?
正确答案
解:(1)B,C碰撞瞬间,B,C的总动量守恒
mBv0=(mB+mC)v1,v1=2 m/s
三个物块速度相同时弹簧的弹性势能最大
mAv0+mBv0=(mA+mB+mC)v2
设最大弹性势能为EP,由能量守恒
(2)当A的速度为零时,由动量守恒定律得
mAv0+mBv0=(mB+mC)v3,v3=4 m/s
则弹性势能为:
用放射源钋的α射线轰击铍时,能发射出一种穿透力极强的中性射线,这就是所谓铍“辐射”。1932年,查德威克用铍“辐射”分别照射(轰击)氢和氮(它们可视为处于静止状态)。测得照射后沿铍“辐射”方向高速运动的氢核和氮核的速度之比为7.0。查德威克假设铍“辐射”是由一种质量不为零的中性粒子构成的,从而通过此实验在历史上首次发现了中子。假定铍“辐射”中的中性粒子与氢或氮发生弹性正碰,试在不考虑相对论效应的条件下计算构成铍“辐射”的中性粒子的质量。(质量用原子质量单位u表示,1 u 等于一个12C原子质量的十二分之一,取氢核和氮核的质量分别为1 u和14 u。)
正确答案
解:设构成铍“辐射”的中性粒子的质量和速度分别为m和v,氢核的质量为mH。构成铍“辐射”的中性粒子与氢核发生弹性正碰,碰后两粒子的速度分别为v′和vH′。由动量守恒与能量守恒定律得
mv=mv′+mHvH′ ①
mv2=
mv′2+
mHv′H2 ②
解得vH′= ③
同理,对于质量为mN的氮核,其碰后速度为vN′= ④
由③④式可得m= ⑤
根据题意可知vH′=7.0vN′ ⑥
将上式与题给数据代入⑤式得m=1.2 u
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