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题目:
一质量为 m 的小球,从距地面高为 H 的位置沿光滑斜面由静止开始下滑,到达底端时与挡板 P 发生碰撞,碰撞后小球返回高度为 h 的位置。已知斜面倾角为 θ,求:
(1)小球第一次与挡板相碰前的速度;
(2)小球与挡板碰撞过程中机械能损失的能量。
答案:
(1)小球第一次与挡板相碰前的速度为 v = sqrt(2gH)。
(2)小球与挡板碰撞过程中机械能损失的能量为 E = 0.5mg(H-h)。
解析:
(1)小球从距地面高为 H 的位置沿光滑斜面由静止开始下滑,根据机械能守恒定律,有:
mgH = 0.5mv²
解得小球第一次与挡板相碰前的速度 v = sqrt(2gH)
(2)小球与挡板碰撞过程中,由于斜面光滑,所以碰撞前后动量守恒。设碰撞前小球的速度方向为正方向,则碰撞后小球的末速度为 - v。根据动量守恒定律,有:
mv = mv1 - mgtanθv
其中 v1 为小球与挡板碰撞后的速度。由于碰撞过程中机械能损失的能量等于系统动能的减少量,所以有:
E = 0.5mv² - 0.5mv1²
将上述两式代入并化简可得:E = 0.5mg(H-h)
其中 h 为小球返回高度为 h 的位置时的位置高度。因此,小球与挡板碰撞过程中机械能损失的能量为 E = 0.5mg(H-h)。