例1、(1)如图,铁块B与水平桌面的接触是光滑的,炮弹A沿水平方向射入铁块后,留在铁块内,将弹簧压缩到最短,现将炮弹、木块和弹簧(质量不可忽视)合在一起作为研究对象(系统),此系统从炮弹开始射入到弹簧压缩到最短的整个过程中,动量是否守恒。
(2)上述情况中动量不守恒而机械能守恒的是()
A.炮弹步入物块B的过程
B.物块B带着炮弹向左运动,直至弹簧压缩量达最大的过程
C.弹簧推挤带着炮弹的物块B往右联通,直至弹簧恢复原长的过程
D.带着炮弹的物块B因惯性继续往右联通,直至弹簧伸长量达最大的过程
答案:(1)不守恒;(2)BCD
解析:以炮弹、弹簧、木块为研究对象,剖析受力。在水平方向,弹簧被压缩是由于遭到外力,所以系统水平方向动量不守恒。因为子弹射入铁块过程,发生剧烈的磨擦,有磨擦力做功,系统机械能降低,也不守恒。
例2、在光滑水平面上有A、B两球,其动量大小分别为10kg·m/s与15kg·m/s,方向均为向东,A球在B球后,当A球追上B球后,两球相撞,则相撞之后,A、B两球的动量可能分别为()
A.10kg·m/s,15kg·m/s
B.8kg·m/s,17kg·m/s
C.12kg·m/s,13kg·m/s
D.-10kg·m/s完全弹性碰撞速度公式怎么记,35kg·m/s
答案:B
解析:①A与B相撞时,B应做加速,故pB′>pB,即B的动量应变大,故A、C不对,因A、C两项中的动量都不小于pB=15kg·m/s。②A、B相撞时,动能不会降低,而D选项碰后Ek′=
故不合理。
例3、在光滑的水平地面上,质量m1=0.1kg的轻球,以V1=10m/s的速率和静止的重球发生正碰,重球质量为m2=0.4kg,若设V1的方向为正,并以V1’和V2’分别表示m1和m2的碰后速率,判定下述几组数据出入不可能发生的是()
A.V’1=V’2=2m/s
B.V’1=0,V’2=2.5m/s
C.V’1=-6m/s,V’2=4m/s
D.V’1=-10m/s,V’2=5m/s
答案:D
解析:A选项为完全非弹性碰撞,碰后共速;B选项为非弹性碰撞,碰后动能比碰前小;C选项为完全弹性碰撞,碰后动能与碰前相等;D选项碰后的动能比碰前多,不可能。
例4、当A追上B并与B发生正碰后B的动量增为
,则A与B的质量比mA:mB可能为()
A.1:2
B.1:3
C.1:4
D.1:6
答案:BC
解析:由动量守恒定理,碰撞后A球动量必为
由题意剖析有:
,
据此可排除选项D。
对选项A不妨设MA=m则MB=2m
则又
即
碰撞前
碰后
此时
,似乎不符合动能关系,故A也排除。同理可验证选项B、C满足动能关系,因而正确答案为选项B、C
例5、光滑的水平面上,用弹簧相连的质量均为2kg的A、B两物块都以V0=6m/s的速率往右运动,弹簧处于原长,质量为4kg的物块C静止在前方,如图所示。B与C碰撞后两者粘在一起运动,在之后的运动中,当弹簧的弹性势能达到最大为J时,物块A的速率是m/s。
解析:本题是一个“三体二次作用”问题:“三体”为A、B、C三物块。“二次作用”过程为第一次是B、C二物块发生短时作用,而A不出席,这过程动量守恒而机械能不守恒;第二次是B、C二物块作为一整体与A物块发生持续作用,这过程动量守恒机械能也守恒。对于第一次B、C二物块发生短时作用过程,设B、C二物块发生短时作用后的共同速率为VBC,则据动量守恒定理得:
(1)
对于第二次B、C二物块作为一整体与A物块发生持续作用,设发生持续作用后的共同速率为V,则据动量守恒定理和机械能守恒定理得:
mAV0+
(2)
(3)
由式(1)、(2)、(3)可得:当弹簧的弹性势能达到最大为EP=12J时,物块A的速率V=3m/s。
例6、质量分别为m1和m2的货车A和B置于水平面上,货车A的右端连着一根水平的轻弹簧,处于静止。货车B从左侧以某一初速驶来,与轻弹簧相撞完全弹性碰撞速度公式怎么记,然后,货车A获得的最大速率的大小为v。倘若不计磨擦,也不计互相作用过程中的机械能损失。求:
(1)货车B的初速率大小。
(2)假如只将货车A、B的质量都减小到原先的2倍,再让货车B与静止货车A相撞,要使A、B货车互相作用过程中弹簧的最大压缩量保持不变,货车B的初速率大小又是多大?
解析:(1)设货车B开始的速率为v0,A、B互相作用后A的速率即A获得的最大速率v,系统动量守恒m2vo=m1v+m2v2
互相作用前后系统的总动能不变
解得:
(2)第一次弹簧压缩最短时,A、B有相同的速率,据动量守恒定理,
有m2v0=(m1+m2)v共,得
此时弹簧的弹性势能最大,等于系统总动能的降低
同理,货车A、B的质量都减小到原先的2倍,货车B的初速率设为v3,A、B货车互相作用过程中弹簧的压缩量最大时,系统总动能降低为
由ΔE=ΔE',得货车B的初速率
例7、如图,质量为M的障碍物静置于水平光滑地面上,一质量
的球以速率v0冲向障碍物,若障碍物弧面光滑且最高点与水平地手相切。求小球能顺着障碍物弧面冲上多大高度?(弧面为1/4弧形)
答案:
解析:因为水平方向不受外力作用,系统在水平方向上动量守恒,可以求出二者共同的末速v(由于最后运行到最低点时,二者的速率相同):mv0=(m+M)×v。再用能量守恒定理:初动能=末动能+小球势能变化,可以求出小球上升高度h。
例8、如图所示,在同一竖直平面上,质量为2m的小球A静止在光滑斜面的顶部,斜面高度为H=2L。小球遭到弹簧的弹性力作用后,沿斜面向下运动。离开斜面后,达到最低点时与静止悬挂在此处的小球B发生弹性碰撞,碰撞后球B恰好能摆到与悬点O同一高度,球A沿水平方向填装落在水平面C上的P点,O点的投影O´与P的距离为L/2。已知球B质量为m,悬绳长L,视两球为质点。重力加速度为g,不计空气阻力。求:⑴球B在两球碰撞后刹那间的速率大小;⑵球A在两球碰撞后刹那间的速率大小;⑶弹簧的弹性力对球A所做的功。
解析:⑴由碰后B恰好能摆到与悬点O同一高度,应用动能定律或机械能守恒定理可得:
⑵利用弹性碰撞公式,设与B碰前顿时A的速率是v0,可得vA=v0/3,vB=4v0/3,可得
及
⑶由A平抛的初速率和水平位移,可求得下落高度是L。A的初动能等于弹力做的功,A上升过程用机械能守恒:
例9、有两个完全相同的小滑块A和B,A沿光滑水平面以速率v0与静止在平面边沿O点的B发生正碰,碰撞中无机械能损失。碰后B运动的轨迹为OD曲线,如图所示。
(1)已知滑块质量为m,碰撞时间为Dt,求碰撞过程中A对B平均力道的大小;
(2)为了研究物体从光滑抛物线轨道顶端无初速下降的运动,物制作一个与B平抛轨迹完全相同的光滑轨道,并将该轨道固定在与OD曲线重合的位置,让A沿该轨道无初速下降(经剖析A在下降过程中不会脱离轨道),
a.剖析A沿轨道下降到任意一点时的动量PA与B平抛经过该点时的动量PB的大小关系;b.在OD曲线上有一点M,O和M两点的连线与竖直方向的倾角为45°,求A通过M点时的水平分速率和竖直分速率。
解析:(1)mvA+mvB=mv0,1/2mvA2+1/2mvB2=1/2mv02,解得:vA=0,vB=v0,对B有:FDt=mv0,所以F=,(2)a.设该点的竖直高度为d,对A有:EkA=mgd,对B有:EkB=mgd+mv02,而P=,所以PA
b.对B有:y=gt2,x=v0t,y=x2,在M点,x=y,所以y=,因轨迹相同,所以在任意点它们的速率方向相同,对B有:vxB=v0,vyB==2v0,vB=v0,对A有:vA==2v0,所以vxA=vxBvA/vB=v0,vyA=vyBvA/vB=v0。