- 弹性碰撞和非弹性碰撞
- 共16题
如图所示,静置于水平地面的三辆手推车沿一直线排列,质量均为m.人在极短时间内给第一辆车一水平冲量使其运动,当车运动了距离L时与第二车相碰,两车以共同速度继续运动了距离L时与第三车相碰,三车以共同速度又运动了距离L时停止,车运动时受到的摩擦阻力恒为车所受重力的k倍,重力加速度为g,若车与车之间仅在碰撞时发生相互作用,碰撞时间很短,忽略空气阻力,求:
(1)整个过程中摩擦阻力所做的总功;
(2)人给第一辆车水平冲量的大小;
(3)第一次与第二次碰撞系统动能损失之比。
正确答案
(1)-6kmgL (2)2m (3)13/3
解析
(1)设运动过程中摩擦阻力做的总功为W,则
W=-kmgL-2kmgL-3kmgL=-6kmgL
(2)设第一车初速度为u0,第一次碰前速度为v1,碰后共同速度为u1;第二次碰前速度为v2,碰后共同速度为u2;人给第一车的水平冲量大小为I.
由:
mv1=2mu1
2mv2=3mu2
得:I=mu0-0=2m
(3)设两次碰撞中系统动能损失分别为ΔEk1和ΔEk2.
由:
得ΔEk1/ΔEk2=13/3
知识点
图18(a)所示的装置中,小物块A.B质量均为m,水平面上PQ段长为l,与物块间的动摩擦因数为μ,其余段光滑。初始时,挡板上的轻质弹簧处于原长;长为r的连杆位于图中虚线位置;A紧靠滑杆(A.B间距大于2r)。随后,连杆以角速度ω匀速转动,带动滑杆作水平运动,滑杆的速度-时间图像如图18(b)所示。A在滑杆推动下运动,并在脱离滑杆后与静止的B发生完全非弹性碰撞。
(1)求A脱离滑杆时的速度uo,及A与B碰撞过程的机械能损失ΔE。
(2)如果AB不能与弹簧相碰,设AB从P点到运动停止所用的时间为t1,求ω得取值范围,及t1与ω的关系式。
(3)如果AB能与弹簧相碰,但不能返回道P点左侧,设每次压缩弹簧过程中弹簧的最大弹性势能为Ep,求ω的取值范围,及Ep与ω的关系式(弹簧始终在弹性限度内)。
正确答案
见解析。
解析
(1)设连杆的水平位移为x 取水平向右的方向为正则:求导得:
符合图像b 当x=0时,A与连杆分离,此时:
V0= ①
AB相碰由动量守恒得:mv0=2mv ②
AB系统机械能损失ΔE= ③
由①②③得:
④
(2)AB在pq上做匀减速直线运动,加速度为:由运动学规律公式得AB开始到停止 的位移:
⑤
s≤l ⑥
0=v+at1 ⑦
由④⑤⑥⑦得:
⑧
(3)AB从p开始到弹簧压缩到最短时过程由能量守恒得:
可得到:
设AB返回时刚好到达P点时速度为0,则此时角速度最大
全过程由能量守恒得:
解得:综合⑧得到角速度的范围为:
知识点
如图,大小相同的摆球a和b的质量分别为m和3m,摆长相同,并排悬挂,平衡时两球刚好接触,现将摆球a向左拉开一小角度后释放,若两球的碰撞是弹性的,下列判断正确的是( )
正确答案
解析
由于两球发生弹性碰撞,故系统动量、机械能均守衡,则:mv=3mvb+mva①,②,由两式联立解得
,
,故A项正确;由前面求得速度可知第一次碰后
,
,故B项错误;由于第一次碰后,|va|=|vb|,根据机械能守恒可知两球可到达相同高度即摆角相同,C项错误;因两球摆长相同,根据
知,两球同时到达各自平衡位置发生第二次碰撞,D项正确。
知识点
如图所示,空间有场强的竖直向下的匀强电场,长
的不可伸长的轻绳一端固定于
点,另一端系一质量
的不带电小球
,拉起小球至绳水平后,无初速释放。另一电荷量
、质量与
相同的小球
,以速度
水平抛出,经时间
与小球
与
点下方一足够大的平板相
遇。不计空气阻力,小球均可视为质点,取
。
(1)求碰撞前瞬间小球的速度。
(2)若小球经过路
到达平板,此时速度恰好为O,求所加的恒力。
(3)若施加恒力后,保持平板垂直于纸面且与水平面的夹角不变,在点下方面任意改变平板位置,小球
均能与平板正碰,求出所有满足条件的恒力。
正确答案
见解析
解析
(1)
设P的加速度为a0、到D点的竖直速度为vy,合速度大小为v1,与水平方向的夹角为β,有
联立上述方程,代入数据解得:v1=6m/s
β=300
(2)设A碰前速度为v2,此时轻绳与竖直线的夹角为β,由动能定理得:
设A、P碰撞后小球C的速度为v,由动量守恒定律得:
小球C到达平板时速度为0,应做匀减速直线运动,设加速度的大小为a 有
设恒力大小为,F与竖直方向的夹角为α,如图,根据牛顿第二定律,得:
代入相关数据解得:
(3)由于平板可距D点无限远,小球C必做匀速或匀加速直线运动,恒力F1的方向可从竖直方向顺时针转向无限接近速度方向,设恒力与速度方向夹角为θ,有:
在垂直于速度方向上,有:
则F1的大小满足条件为
(式中
)
知识点
如图所示,装置的左边是足够长的光滑水平面,一轻质弹簧左端固定,右端连接着质量 M=2kg的小物块A。装置的中间是水平传送带,它与左右两边的台面等高,并能平滑对接。传送带始终以n=2m/s 的速度逆时针转动。装置的右边是一光滑的曲面,质量m=1kg的小物块B从其上距水平台面h=1.0m处由静止释放。已知物块B与传送带之间的摩擦因数 n=0.2, f=1.0m。设物块A、B中间发生的是对心弹性碰撞,第一次碰撞前物块A静止且处于平衡状态。取g=10m/s2。
(1)求物块B与物块A第
(2)一次碰撞前的速度大小;通过计算说明物块B与物块A第一次碰撞后能否运动到右边曲面上?
(3)如果物块A、B每次碰撞后,物块A再回到平衡位置时都会立即被锁定,而当他们再次碰撞前锁定被解除,试求出物块B第n次碰撞后运动的速度大小。
正确答案
(1)4 m/s
(2)不能
(3)
解析
(1)设物块B沿光滑曲面下滑到水平位置时的速度大小为v0,由机械能守恒知mgh=mv02①
②
设物块B在传送带上滑动过程中因受摩擦力所产生的加速度大小为a
μmg=ma③
设物块B通过传送带后运动速度大小为v,有
v2-v02=-2al④
结合②③④式解得v=4 m/s⑤
由于v>u=2 m/s,所以v=4 m/s即为物块B与物块A第一次碰撞前的速度大小。
(2)设物块A、B第一次碰撞后的速度分别为V、v1,取向右为正方向,由弹性碰撞知
-mv=mv1+MV⑥
⑦
解得⑧
即碰撞后物块B沿水平台面向右匀速运动。
设物块B在传送带上向右运动的最大位移为l′,则
0-v12=-2al′⑨
⑩
所以物块B不能通过传送带运动到右边的曲面上。
(3)当物块B在传送带上向右运动的速度为零后,将会沿传送带向左加速,可以判断,物块B运动到左边台面时的速度大小为v1,继而与物块A发生第二次碰撞,设第二次碰撞后物块B速度大小为v2,同上计算可知⑪
物块B与物块A第三次碰撞、第四次碰撞…,碰撞后物块B的速度大小依次为
…⑫
则第n次碰撞后物块B的速度大小为⑬
。⑭
知识点
小球A和B的质量分别为mA 和 mB,且mA>mB。在某高度处将A和B先后从静止释放。小球A与水平地面碰撞后向上弹回,在释放处的下方与释放处距离为H的地方恰好与正在下落的小球B发生正碰。设所有碰撞都是弹性的,碰撞时间极短。求小球A、B碰撞后B上升的最大高度。
正确答案
解析
小球A与地面的碰撞是弹性的,而且AB都是从同一高度释放的,所以AB碰撞前的速度大小相等于设为,根据机械能守恒有
化简得
①
设A、B碰撞后的速度分别为和
,以竖直向上为速度的正方向,根据A、B组成的系统动量守恒和动能守恒得
②
③
联立②③化简得
④
设小球B 能够上升的最大高度为h,由运动学公式得
⑤
联立①④⑤化简得
⑥
知识点
在一种新的“子母球”表演中,让同一竖直线上的小球A和小球B,从距水平地面的高度为ph(p>1)和h的地方同时由静止释放,如题图所示。球A的质量为m,球B的质量为3m。设所有碰撞都是弹性碰撞,重力加速度大小为g,忽略球的直径、空气阻力及碰撞时间。
(1)求球B第一次落地时球A的速度大小;
(2)若球B在第一次上升过程中就能与球A相碰,求p的取值范围;
(3)在(2)情形下,要使球A第一次碰后能到达比其释放点更高的位置,求p应满足的条件。
正确答案
(1)
(2)1<P<5
(3)1<P<3
解析
(1)对B球:
对A球:vA=gt1=
(2)要使B球在第一次上升过程中就能与A球相碰,
设B球反弹上升到最高点,用时为t2,
则在t2时间内,sA=vAt2+
sB=h=
且+sA+sB=ph.
解得p=5,所以要使它们在B的第一次上升过程中相遇,则应p<5.
综上述1<p<5.
(3)要使球A第一次碰后能到达比其释放点更高的位置,需满足碰后A球反向且其速度大于碰撞前的速度,由碰撞过程动量守恒和机械能守恒,得 1<p<3.
知识点
—中子与一质量数为A (A>1)的原子核发生弹性正碰。若碰前原子核静止,则碰撞前与碰撞后中子的速率之比为
正确答案
解析
略
知识点
(1)能量为的光子照射基态氢原子,刚好可使该原子中的电子成为自由电子,这一能
称为氢的电离能,现用一频率为
的光子从基态氢原子中击出了一电子,该电子在远离核以后速度的大小为_______________(用光子频率
、电子质量
、氢原子的电离能
和普朗克常量
表示)。
(2)在核反应堆中,常用减速剂使快中子减速,假设减速剂的原子核质量是中子的倍,中子与原子核的每次碰撞都可看成是弹性正碰,设每次碰撞前原子核可认为是静止的,求
次碰撞后中子速率与原速率之比。
正确答案
(1)
(2)
解析
(1)由能量守恒得 ,解得电子速度为
。
(2)设中子和作减速剂的物质的原子核A的质量分别为和
,碰撞后速度分别为
和
,碰撞前后的总动量和总能量守恒,有
①
②
式中为碰撞前中子速度,由题设
③
由①②③式得,经1次碰撞后中子速率与原速率之比为
④
经N次碰撞后,中子速率与原速率之比为
⑤
知识点
(1)恒星向外辐射的能量来自于其内部发生的各种热核反应,当温度达到108K时,可以发生“氦燃烧”。
①完成“氦燃烧”的核反应方程:。
②是一种不稳定的粒子,其半衰期为2.6×10-16s。一定质量的
,经7.8×10-16s后所剩下的
占开始时的 。
(2)如图所示,光滑水平轨道上放置长木板A(上表面粗糙)和滑块C,滑块B置于A的左端,三者质量分别为、
、
。开始时C静止,A、B一起以
的速度匀速向右运动,A与C发生碰撞(时间极短)后C向右运动,经过一段时间,A、B再次达到共同速度一起向右运动,且恰好不再与C碰撞。求A与C发生碰撞后瞬间A的速度大小。
正确答案
见解析。
解析
(1)或
;
或12.5%
(2)因碰撞时间极短,A与C碰撞过程动量守恒,设碰后瞬间A的速度为vA,C的速度为vC,以向右为正方向,由动量守恒定律得
A与B在摩擦力作用下达到共同速度,设共同速度为vAB,由动量守恒定律得
A与B达到共同速度后恰好不再与C碰撞,应满足
联立上式,代入数据得
知识点
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