题目内容
(1)如图1所示,ABC为一固定在竖直平面内的光滑轨道,BC段水平,AB段与BC段平滑连接。质量为m1的小球从高为h处由静止开始沿轨道下滑,与静止在轨道BC段上质量为m2的小球发生碰撞,碰撞前后两球的运动方向处于同一水平线上,且在碰撞过程中无机械能损失。求碰撞后小球m2的速度大小v2;![]()
图1
(2)碰撞过程中的能量传递规律在物理学中有着广泛的应用。为了探究这一规律,我们采用多球依次碰撞、碰撞前后速度在同一直线上、且无机械能损失的简化力学模型。如图2所示,在固定光滑水平直轨道上,质量分别为m1、m2、m3……mn-1、mn……的若干个球沿直线静止相间排列,给第1个球初动能Ek1,从而引起各球的依次碰撞。定义其中第n个球经过一次碰撞后获得的动能Ekn与Ek1之比为第1个球对第n个球的动能传递系数k1n。
a.求k1n;
b.若m1=4m0,m3=m0,m0为确定的已知量。求m2为何值时,k13最大。
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图2
分析:本题第(1)问属较易题,直接由机械能守恒求出碰前m1的速度,然后由碰撞过程满足双守恒即动量守恒、机械能守恒即可求解。
而第(2)问则属区分度较强的题,考查了学生用数学知识解决物理问题的能力,在此求动能传递系数、结合数学归纳法、类比法、极值法可使本题获解。
解答:(1)设碰撞前m1的速度为v10,根据机械能守恒定律
①
设碰撞后m1与m2的速度分别为v1和v2,根据动量守恒定律
m1v10=m1v1+m2v2②
由于碰撞过程中无机械能损失
③
②③式联立解得
④
将①式代入④式得
。
(2)由上可得:碰后第二个球获得的动能
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根据动能传递系数的定义,对于1、2两球
⑤
同理可得,球m2和球m3碰撞后,动能传递系数k13应为
⑥
依此类推,动能传递系数k1n应为
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解得![]()
将m1=4m0,m3=m0代入⑥式可得
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为使k13最大,只需使
最大,即
取最小值,由
可知,
当
,即m2=2m0时,k13最大。
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