问题 问答题

相距为L、质量均为m的两小物块A、B,静止放在足够长的水平面上,它们与水平面间的动摩擦因数均为μ=0.2.现在用一个大小为0.3mg的水平向右的恒力F推A,A开始向右运动,并与B发生多次弹性碰撞,且每次碰撞时间极短,重力加速度为g,试求:

(1)第一次碰撞后B的速度大小;

(2)第五次碰撞后至第六次碰撞前B的运动时间;

(3)B运动的总路程.

答案

(1)A匀加速L,第一次碰前A的速度设为vA1,由动能定理得:

  (F-μmg)L=

1
2
m
v2A1
-0①

解得 vA1=

gL
5

A与B发生第一次弹性碰撞,遵守动量守恒和机械能守恒,设碰后速度分别为v'A1,v'B1mvA1=mv'A1+mv'B1

 

1
2
m
v2A1
=
1
2
mvA12+
1
2
mvB12

解得:v'A1=0   vB1=

gL
5

(2)第一次碰后,设经过t1B停下,B和A位移分别为SB1和SA1

t1=

v′B1
μg

 SB1=

v
2B1
2μg

 SA1=

1
2
(
F-μmg
m
)
t21

解得t1=

5L
g
SB1=
L
2

 SA1=

L
4

由于SB1>SA1,因此第2次碰前,B已经停下.设第2次碰前A的速度为vA2

(F-μmg)

L
2
=
1
2
m
v2A2
-0⑦

A与B发生第2次弹性碰撞,遵守动量守恒和机械能守恒,碰后速度交换,设碰后速度分别为v'A2,v'B2

解得v'A2=0vB2=

gL
10

同理依此类推,归纳得

第n次碰后B的速度vBn=

gL
2n-1
=
2gL
2n

第n次碰后到第n+1次碰前B的运动时间tn=

v′Bn
μg
=
10L
2n

由此得t5=

5L
16g

(3)第n次碰后到第n+1次碰前B的运动位移SBn=

v
2Bn
2μg
=
L
2n
SB=SB1+SB2+…+SBn=
L
2
+
L
22
+…+
L
2n
=
L
2
1-
1
2
=L

另最终AB靠在一起停下,由能量守恒得:F(L+SB)=μmg(L+SB)+μmgSB

解得SB=L

答:

(1)第一次碰撞后B的速度大小为

gL
5

(2)第五次碰撞后至第六次碰撞前B的运动时间为

5L
16g

(3)B运动的总路程为L.

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