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?
(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=
M1 2
,mg•4h=v 2A
m1 2 v 2B
解得,vA=
,vB=22gh 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=
vA2 3
根据机械能守恒得:Mgh′=
m(v50)21 2
解得h′=
h4 9
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