问题 问答题

在纳米技术中需要移动或修补原子,必须使在不停地做热运动(速率约几百米每秒)的原子几乎静止下来且能在一个小的空间区域内停留一段时间,为此已发明了“激光制令”的技术,若把原子和入射光分别类比为一辆小车和一个小球,则“激光制冷”与下述的力学模型很类似.

一辆质量为m的小车(一侧固定一轻弹簧),如图所示以速度v0水平向右运动,一个动量大小为p,质量可以忽略的小球水平向左射入小车并压缩弹簧至最短,接着被锁定一段时间△T,再解除锁定使小球以大小相同的动量p水平向右弹出,紧接着不断重复上述过程,最终小车将停下来,设地面和车厢均为光滑,除锁定时间△T外,不计小球在小车上运动和弹簧压缩、伸长的时间.求:

(1)小球第一次入射后再弹出时,小车的速度大小和这一过程中小车动能的减少量;

(2)从小球第一次入射开始到小车停止运动所经历的时间.

答案

(1)小球射入小车和从小车中弹出的过程中,小球和小车所组成的系统动量守恒,

由动量守恒定律,得mv0-P=mv

 1
…①mv
 1
=mv1+P
…②

v1=v0-

2P
m
.…③

此过程中小车动能减少量为Ek=

1
2
m
v20
-
1
2
m
v21
,…④

则得 Ek=2pv0-

2p2
m
=2p(v0-
p
m
).…⑤

(2)小球第二次入射和弹出的过程,及以后重复进行的过程中,小球和小车所组成的系统动量守恒.由动量守恒定律,得

  mv1-p=mv

 2
…⑥

  mv

 2
=mv2+p…⑦

v2=v1-

2p
m
=v
 0
-2(
2p
m
),…⑧

同理可推得vn=v0-n(

2p
m
).…⑨

要使小车停下来,即vn=0,小球重复入射和弹出的次数为n=

mv0
2p
,…⑩

故从小球第一次入射开始到小车停止运动所经历的时间为t=n△T=

mv0
2P
•△T.

答:

(1)小球第一次入射后再弹出时,小车的速度大小为v0-

2P
m
,这一过程中小车动能的减少量2P(v0-
2P
m
);

(2)从小球第一次入射开始到小车停止运动所经历的时间为

mv0
2P
•△T.

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