- 弹性碰撞和非弹性碰撞
- 共325题
如图所示,轻质弹簧将质量为m的小物块连接在质量为M(M=3m)的光滑框架内,小物块位于框架中心位置时弹簧处于自由长度。现设框架与小物块以共同速度v0沿光滑水平面向左匀速滑动。求:
(1)若框架与墙壁发生瞬间碰撞后速度为零,但与墙壁间不粘连,求框架脱离墙壁后的运动过程中,弹簧弹性势能的最大值;
(2)若框架与墙壁发生瞬间碰撞,立即反弹,在以后过程中弹簧的最大弹性势能为,求框架与墙壁碰撞时损失的机械能△E1;
(3)在(2)情形下试判定框架与墙壁能否发生第二次碰撞?若不能,说明理由若能,试求出第二次碰撞时损失的机械能△E2。(设框架与墙壁每次碰撞前后速度大小之比不变)
正确答案
解:(1)框架与墙壁碰撞后,小物块以速度v0压缩弹簧,后又返回,当返回原位时框架开始离开,由机械能守恒知,此时物块速度是v0,方向向右,设弹簧有最大势能时共同速度为v
由动量守恒定律知mv0=4mv
由能量守恒定律
(2)设框架反弹速度为v1、最大势能时共同速度为v'。由动量、能量守恒定律得
3mv1-mv0=4mv'
解得
解得(舍去)
代入得v'=0
(3)由(2)知第一次碰后反弹后,二者总动量为零,故当弹黄再次伸展后仍可继续与墙壁相撞,并以的速度与墙壁相撞,由题意知
所以
故
如图所示,A、B、C三个物体质量均为m,其中厚度相同的A、B位于光滑的水平面上,可视为质点的小 物体C放在静止的物体B上,物体A以速度v0向物体B运动,与物体B发生碰撞(碰撞时间极短),碰后A、B以相同的速度运动,但互不粘连;物体C滑过物体B后又在物体A上滑行,最后停在物体A上,与物体A一起以的速度运动。求:
(1)物体B最终的速度;
(2)小物体C在物体A和物体B上滑行过程中由于摩擦产生的热量之比。
正确答案
解:(1)从最初物体A以速度v0运动到最终物体A、C以共同速度v4运动、同时物体B以速度v2匀速运动的过程中,对物体A、B、C组成的系统全过程由动量守恒定律有:mv0=(m+m)v4+mv2 解得:
(2)如图(a)所示,从物体A以速度v0运动到与物体B相碰获得共同速度(设为v1)的过程中,对物体A、B组成的系统由动量守恒定律得:mv0=(m+m)v1
设物体C离开物体B的瞬时速度为v3,物体A、B整体的速度减小为v2,如图(b)所示,对物体A、B、C组成的系统由动量守恒定律得:(m+m)v1=(m+m)v2+mv3
设该过程中物体C在物体B上滑行由于摩擦产生的热量为QB,由功能关系可得
物体C以速度v3离开物体B滑上物体A后,物体A、B分离,物体B以速度v2匀速运动,物体C和物体A相互作用至达到共同速度v4,如图(c)所示。该过程中对物体A、C组成的系统由动量守恒定律有:mv2+mv3=(m+m)v4
设该过程中物体C在物体A上滑行由于摩擦产生的热量为QA,由功能关系可得:
联立以上各式及题中已知
可得
某兴趣小组设计了一种实验装置,用来研究碰撞问题,其模型如图所示。用完全相同的轻绳将N个大小相同、质量不等的小球并列悬挂于一水平杆、球间有微小间隔,从左到右,球的编号依次为1、2、3……N,球的质量依次递减,每球质量与其相邻左球质量之比为k(k<1)。将1号球向左拉起,然后由静止释放,使其与2号球碰撞,2号球再与3号球碰撞……所有碰撞皆为无机械能损失的正碰。(不计空气阻力,忽略绳的伸长,g取10 m/s2)
(1)设与n+1号球碰撞前,n号球的速度为vn,求n+1号球碰撞后的速度。
(2)若N=5,在1号球向左拉高h的情况下,要使5号球碰撞后升高16h(16 h小于绳长),问k值为多少?
正确答案
解:(1)设n号球质量为m,n+1号球质量为mn+1,碰撞后的速度分别为,取水平向右为正方向,据题意有n号球与n+1号球碰撞前的速度分别为vn、0
根据动量守恒有:mnvn=mnvn′+kmnvn+1′
根据机械能守恒有:mnvn2=
mnvn′2+
kmnvn+1′2
解得:vn+1′=(vn+1′=0舍去)
(2)设1号球摆至最低点时的速度为v1,由机械能守恒定律有
v1=
同理可求,5号球碰后瞬间的速度v5=
设n+1号球与n+2号球碰前的速度为vn+1 据题意有:vn+1=
得:vn+1=nv1
n=5时:v5=()4v1解得:k=
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A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发生正碰后小球A、B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是弹性碰撞,求两小球的质量之比。
正确答案
解:从两小球碰撞后到它们再次相遇,小球A和小球B的速度大小保持不变,设两小球通过的路程分别为s1、s2
由,设两球碰后,小球A和小球B的速度为v1、v2则
,两小球碰撞过程动量守恒
则:m1v0=m1v1+m2v2且
解得
如果两球在碰撞前的速度在两球的中心连线上,那么这种碰撞称为对心碰撞(或称正碰),设两球碰撞前的速度分别为V10和V20,碰撞后的速度分别为V1和V2,并假定碰撞前后各个速度都沿同一方向,某探究学习小组从实验结果总结出一个碰撞定律:碰撞后两球的分离速度(V2-V1),与碰撞前两球的接近速度(V10-V20)成正比,比值由两球的材料性质决定,即通常把e叫做恢复系数。某同学利用如图所示装置进行实验,绳上挂有A、B两个小球,并已测出两球碰撞时的恢复系数e=0.5,已知A球质量为2m、摆长为2L,B球质量为m、摆长为L,某次实验中球A由静止状态释放,运动到最低点与静止的球B发生正碰,碰后刚好使球B到达使绳成水平的位置。求球A释放前θ角的大小。
正确答案
解:设球A到达最底点的速度为V,根据机械能守恒有 ①
所以
设碰撞后A、B两球的速率分别为VA、VB,由题意得:
即 ②
A、B两球碰撞时水平方向动量守恒: ③
由②③得 ④
碰撞后B球机械能守恒,故有: ⑤
将①④式代入⑤得
所以A球释放前θ=60°
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