题目内容

14.如图所示,两个相同的小球质量均为m=0.2kg,用长L=0.22m的细绳连接,放在倾角为θ=30°的足够长的光滑斜面上,初始时刻,细绳拉直,且与斜面底边平行.在绳的中点O作用一个垂直于绳、沿斜面向上的恒力,大小F=2.2N.在F的作用下两小球沿斜面向上运动,经过一段时间两小球第一次碰撞,又经过一段时间第二次发生碰撞….每一次碰撞后,小球垂直于F方向的速度都比碰撞前减小.当力F作用了2s时,两小球发生最后一次碰撞,且碰后不再分开.取g=10m/s2,求:
(1)最后一次碰撞后,小球的加速度.
(2)最后一次碰撞后,小球的最小速度.
(3)整个过程中,系统由于碰撞而损失的机械能.

分析 (1)小球发生最后一次碰撞,不再分开,加速度相同,将两个小球看成整体,根据牛顿第二定律求加速度a.
(2)最后一次碰撞结束时,两小球粘合成一个整体,由运动学公式求解最后一次碰撞结束时小球的速度;
(3)整个碰撞过程中,F做功为F($\frac{L}{2}+\frac{1}{2}a{t}^{2}$),转化为两小球的动能和内能,根据功能关系列式求解;

解答 解:(1)对两小球组成的整体分析,由牛顿第二定律有 $a=\frac{F-2mgsin30°}{2m}=\frac{2.2-2×0.2×sin30°}{2×0.2}=0.5m/{s}^{2}$①
(2)以两个小球整体为研究的对象,则整体在沿斜面的方向发生的位移可以看做是匀加速直线运动,
小球沿F方向的位移随时间变化的关系式为S=$\frac{1}{2}$at2
最后一次碰撞后,小球做匀加速运动,所以刚刚碰撞结束后的速度最小,则:vt=at=0.5×2m/s=1m/s…②
(3)根据功能原理:$△E=F(s+\frac{L}{2})-2mgSin30°•s+\frac{1}{2}•2m{v}_{t}^{2}$  ③
代入数据得:△E=0.242J
答:(1)最后一次碰撞后,小球的加速度为0.5m/s2.
(2)最后一次碰撞后瞬间,小球的速度是1m/s.
(3)整个碰撞过程中,系统损失的机械能是0.242J.

点评 本题关键采用整体法求水平方向的加速度,运用功能关系和运动学公式结合求碰前两个球的分速度.

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3.光电计时器是一种研究物体运动的常用计时器,其结构如图甲所示,a、b分别是光电门的激光发射和接收装置,当有物体从a、b间通过时,光电计时器就可以显示物体的挡光时间.
利用图乙所示装置测定正方体小铁块和由长木板制成的斜面体(包括水平部分,斜面与水平面之间有一小段圆弧连接的长度忽略不计,水平部分足够长,重力加速度为g)间的动摩擦因数μ.

(1)用20个等分刻度的游标卡尺测得小铁块的边长d=20.20 mm.(如图丙所示)
(2)将斜面体置于水平桌面上,斜面顶端P悬挂一铅垂线,Q为锥尖与桌面的接触点.1和2是固定在斜面上的两个光电门(与之连接的电路未画出),让小铁块由P点沿斜面滑下,小铁块通过光电门1、2的时间分别为△t1、△t2,用米尺测得1、2之间的距离为L(L>>d),则小铁块下滑过程中的加速度a=$\frac{{d}^{2}(△{t}_{1}^{2}-△{t}_{2}^{2})}{2L△{t}_{1}^{2}△{t}_{2}^{2}}$(用d、△t1、△t2、L表示);再利用米尺测出斜面的高h和斜面的长L,就可以测得动摩擦因数μ.
(3)若光电计时器出现故障不能使用,现只利用米尺测定动摩擦因数μ,请写出实验方案:让小铁块由顶端从静止滑下,滑至水平板上的C点停下,测出顶端的高度h和小铁块在整个过程中的水平位移x.测得的动摩擦因数μ=$\frac{h}{x}$.(用测定的物理量所对应的字母表示)

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