题目内容

15.图示左侧球碰撞的实验装置中,n个完全弹性小球都用长为L=10m的细线悬挂在同一高度的一条直线上,相邻两球的间隙很小.这些小球中只有球n带有-q电荷,其质量为m.小球1到小球n间的质量关系为m1:m2:m3:…:mn=1:($\frac{1}{3}$):($\frac{1}{3}$)2:…:($\frac{1}{3}$)n-1.碰撞装置右侧倾角θ=370的绝缘粗糙斜面上有平行且相距D=3m的NQ与MP区间,其间有平行斜面向上、场强E=$\frac{8mg}{5q}$的匀强电场.一长为S=2m的绝缘轻杆连接两个完全相同、质量均为m=0.5kg的小球A和B,A球不带电,B球带电量+q.开始时轻杆的中垂线与垂直线MP重合且AB球静止在斜面上恰好不往上滑.设A、B球与斜面间的动摩擦因数均为μ,且最大静摩擦力等于滑动摩擦力.取sin37°=0.6,cos37°=0.8,g=10m/s2.
(1)求小球与斜面间的动摩擦因数μ;
(2)拉起1球至某高度后放手,让其与2球碰撞,直到n球被碰(n-1球与n球碰撞时无电荷转移)弹起并偏转θ角后绳子被钉子J拦住而恰好绳断,接着n球立即与A球正碰并粘合在一起,整体沿斜面向上运动至B球能够到达虚线NQ的位置.若OJ距离为9m,求球n与球A碰前瞬间速度v的最小值及绳子的最大拉力Tm
(3)若球1被拉起时与竖直方向的夹角也为θ,则要达到(2)中所述的要求,n的最小值为多少?

分析 (1)对AB系统,由平衡条件可以求出动摩擦因数;
(2)应用动量守恒定律、动能定理与牛顿第二定律可以求出速度与拉力;
(3)小球n可在竖直面内做圆周运动并能通过其正上方的最高点,根据牛顿第二定律得到最高点的最小速度;然后根据1、2两球的碰撞过程得到第n个球的速度的通项,再对第n球在碰后至最高点的过程运用机械能守恒定律列式,最后联立求解即可.

解答 解:(1)由AB受力平衡,由平衡条件得:
2mgsinθ+2μmgcosθ=qE,
代入数据解得:μ=0.25;
(2)据牛顿定律知绳断的条件为:${T_m}-mgcosθ=m\frac{v^2}{L-OJ}$…①
设n球与A球碰后速度大小为v1,碰撞过程系统动量守恒,以向上为正方向,由动量守恒定律得:mv=3mv1…②
碰后至B到达虚线NQ,据动能定理有:
$0-\frac{3}{2}mv_1^2=({qE-3mgsinθ-3μmgcosθ})({D-\frac{S}{2}})-qE\frac{S}{2}$…③
联立②③并代入数据再代入①,可解得:v=8$\sqrt{3}$m/s,Tm=100N;
(3)球1摆动过程、球n碰后至与球A碰前均有机械能守恒:
$\frac{1}{2}{3^{n-1}}mv_1^2={3^{n-1}}mgL({1-cosθ})$,
解得:${v_1}=2\sqrt{10}$m/s,
$\frac{1}{2}mv_n^2=\frac{1}{2}mv_{\;}^2+mgL({1-cosθ})$,
解得:${v_n}=\sqrt{{v^2}+2gL(1-cosθ)}≥2\sqrt{58}$,
球i跟球i+1的碰撞满足机械能守恒跟动量守恒:mivi=mivi1+mi+1vi+1
$\frac{1}{2}{m_i}v_i^2=\frac{1}{2}{m_i}v_{i1}^2+\frac{1}{2}{m_{i+1}}v_{i+1}^2$
可得:${v_{i+1}}=\frac{3}{2}{v_i}$,
即有:${v_n}={({\frac{3}{2}})^{n-1}}{v_1}$…④
代入数据可知n的最小值为:4;
答:(1)小球与斜面间的动摩擦因数μ为0.25;
(2)球n与球A碰前瞬间速度v的最小值为8$\sqrt{3}$m/s,绳子的最大拉力Tm为100N;
(3)若球1被拉起时与竖直方向的夹角也为θ,则要达到(2)中所述的要求,n的最小值为4.

点评 本题关键是明确各个球的运动规律,明确弹性碰撞遵循动量守恒定律和机械能守恒定律,得到第n个球的速度的通项是难点.

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