题目内容

9.如图所示,小球A以初速v0沿光滑平台向右运动,竖直静止悬挂的小球B,恰好与平台右端接触.一水平放置、半径R=0.5m的薄壁圆桶绕轴OO′匀速转动,转动角速度ω=5πrad/s,桶壁上离左端s=0.2m处开有一长度d=0.8m的长孔,孔宽略大于小球A的直径.圆桶左端和平台右端平齐,顶端距平台h=0.8m.若A、B两球发生弹性正碰时(碰撞时间极短),长孔恰好运动到桶的正上方,碰后B刚好能摆到与悬点同一高度,A沿水平方向抛射向长孔.已知v0方向、悬线和圆桶的轴线在同一竖直面上,小球B的质量为m,A的质量是B的2倍,悬线长L=0.8m,视两球为质点,g=10m/s2,不考虑空气阻力.
(ⅰ)求小球A初速v0的大小;
(ⅱ)试通过计算,判断小球A是否会和圆桶碰撞.

分析 (1)根据机械能守恒求出碰后B的速度,根据动量守恒和能量守恒求出碰撞前A的初速度.
(2)根据平抛运动的规律,结合圆筒的周期分析小球A是否会和圆筒相碰.

解答 解:(1)小球A与B发生弹性正碰,动量守恒,以A单位初速度方向为正,根据动量守恒定律:mAv0=mAvA+mBvB…①
碰撞过程无动能损失:$\frac{1}{2}{m_A}v_0^2=\frac{1}{2}{m_A}v_A^2+\frac{1}{2}{m_B}v_B^2$…②
其中mA=2mB
碰后小球B上摆过程,由机械能守恒定律:$\frac{1}{2}{m_B}v_B^2={m_B}gL$…③
以上三式联立,代入数值得:v0=3m/s        
(2)碰后小球A做平抛运动,设下落至圆桶顶端的时间为t1,下落至底端的时间为t2,
有:$h=\frac{1}{2}gt_1^2$…④
$h+2R=\frac{1}{2}gt_2^2$…⑤
解得:t1=0.4s
    t2=0.6s
i)圆桶转动的周期$T=\frac{2π}{ω}=0.4s$,说明小球A下落至圆桶顶端时,长孔恰好又处于圆桶的正上方.此时小球A的水平位移${x_1}={v_A}t_1^{\;}=0.4m$>s=0.2m,说明小球恰好能够落入长孔,不与桶壁相碰.
ii)小球A在桶内下落的时间△t=t2-t1=0.2s=$\frac{T}{2}$,说明小球A下落至圆桶底端时,长孔又恰好又处于圆桶的正下方.
此时小球A的水平位移${x_2}={v_A}t_2^{\;}=0.6m$<s+d=1.0m,说明小球A恰好能够穿出长孔,不与桶壁相碰.                           
答:(1)初速v0的大小为3m/s;
(2)小球A是不会和圆桶碰撞.

点评 本题考查了动量守恒定律、机械能守恒定律和能量守恒定律与平抛运动的综合运用,难度较大,对学生的能力要求较高,尤其第二问,需结合水平位移,分情况讨论分析.

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