题目内容

如图16-4-14所示,半径为R的光滑圆形轨道固定在竖直面内.小球A、B质量分别为m、βm(β为待定系数).A球从左边与圆心等高处由静止开始沿轨道下滑,与静止于轨道最低点的B球相撞,碰撞后A、B球能达到的最大高度均为R,碰撞中无机械能损失.重力加速度为g.试求:

图16-4-14

(1)待定系数β;

(2)第一次碰撞刚结束时小球A、B各自的速度和B球对轨道的压力;

(3)小球A、B在轨道最低处第二次碰撞刚结束时各自的速度,并讨论小球A、B在轨道最低处第n次碰撞刚结束时各自的速度.

解析:碰撞中无机械能,可根据机械能守恒定律计算出系数β;根据机械能守恒可计算出碰撞后两球的速度,应用牛顿第二定律可计算B球对轨道的压力;根据碰撞中动量守恒小球A、B在轨道最低处第二次碰撞刚结束时各自的速度,然后根据实际情景进行分析讨论.

(1)由mgR=+,得β=3

(2)设A、B碰撞后的速度分别为v1,v2,则

mv12=

βmv22=

设向右为正、向左为负,解得

v1=-,方向向左

v2=,方向向右

设轨道对B球的支持力为N′,方向竖直向上为正,竖直向下为负

即N-βmg=βm

N′=-N=-4.5 mg,方向竖直向下

(3)设A、B球第二次碰撞刚结束时的速度分别为v1、v2,则

-mv1-βmg=mv1+βmv2

mgR=mv12+βmv22

解得:v1=-,v2=0

(另一组解:v1=-v1,v2=-v2不合题意,舍去)

由此可得:

当n为奇数时,小球A、B在第n次碰撞刚结束时的速度分别与其第一次碰撞刚结束时相同;

当n为偶数时,小球A、B在第n次碰撞刚结束时的速度分别与其第二次碰撞刚结束时相同.

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