问题 问答题

竖直平面内有一光滑圆弧形轨道,O为最低点,A、B两点距0点的高度分别为h和4h,现从A点释放一质量为M的大物体,且每隔适当的时间从B点释放一质量为m的小物体,它们和大物体碰撞后都结为一体,已知M=100m,

(1)若每当大物体向右运动到O点时,都有一个小物体与之碰撞,问碰撞多少次后大物体的速度最小?

(2)若大物体第一次向右运动到0点时,和小物体碰撞,以后每当大物体向左运动到0点时,才与一个小物体碰撞,问共碰撞多少次后大物体能越过A点?

(3)若每当大物体运动到0点时,都有一个小物体与之碰撞,问碰撞50次后,大物体运动的最大高度为h的几分之几?

答案

(1)设A、B在O点的速度大小分别为vA、vB

由机械能守恒定律得:Mgh=

1
2
M
v2A
,mg•4h=
1
2
m
v2B

解得,vA=

2gh
,vB=2
2gh

设碰撞n次后大物体的速度最小,最小速度为零,则根据动量守恒得:

  MvA-nmvB=(M+m)v

当v=0时,MvA-nmvB=0,则得n=50次

(2)当大物体的速度达到vA时,恰好能越过A点.

 第一次碰撞:MvA-mvB=(M+m)v

 设再碰撞k次:(M+m)v+kmvB=(M+m+km)vA

联立解得 k=3

故共碰4次.

(3)第1次碰撞:MvA-mvB=(M+m)v1

    第2次碰撞:(M+m)v1+mvB=(M+2m)v2

    第3次碰撞:(M+m)v2-mvB=(M+3m)v3

    第4次碰撞:(M+m)v3+mvB=(M+4m)v4

   …

第50次碰撞:(M+49m)v49+mvB=(M+50m)v50

联立解得,v50=

2
3
vA

根据机械能守恒得:Mgh′=

1
2
m(v50)2

解得h′=

4
9
h

答:

(1)若每当大物体向右运动到O点时,都有一个小物体与之碰撞,碰撞50次后大物体的速度最小.

(2)若大物体第一次向右运动到0点时,和小物体碰撞,以后每当大物体向左运动到0点时,才与一个小物体碰撞,共碰撞4次后大物体能越过A点.

(3)若每当大物体运动到0点时,都有一个小物体与之碰撞,碰撞50次后,大物体运动的最大高度为h的

4
9

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