题目内容

4.在电场强度为E的匀强电场中,一条与电场线平行的直线上有两个静止的小球A和B(均可看作质点),两小球的质量均为m,A球带电荷量为+Q,B球不带电.开始时两球相距L,只在电场力的作用下,A球开始沿直线运动,并与B球发生正对碰撞.碰撞中A、B两球的总动能无损失,A、B两球间无电荷转移,重力不计.问:
(1)A球经过多长时间与B球发生第一次碰撞?
(2)第一次碰撞后,A、B两球的速度各为多大?
(3)第一次碰撞后,要经过多长时间再次发生碰撞?

分析 (1)根据牛顿第二定律求出A球的加速度,由速度位移公式求出A球与B球碰撞前的时间.
(2)由于碰撞过程中A、B两球总动能无损失,交换速度,根据能量守恒和动量守恒定律列式求解速度.
(3)第一次碰后,A球追及B球,当位移相等时,发生第二碰撞,由位移相等求出第二次碰撞时间.

解答 解:(1)设小球A的加速度为a,经过时间t1与B球发生第一次碰撞,则
根据牛顿第二定律知:QE=ma
由位移时间关系知L=$\frac{1}{2}a{t}_{1}^{2}$ 
解得t1=$\sqrt{\frac{2mL}{QE}}$
(2)设A碰撞前的速度为v0,碰撞后A和B的速度分别为v1、v2,则
$\frac{1}{2}m{v}_{0}^{2}$=QEL
根据动量守恒定律知mv0=mv1+mv2
根据能量守恒定律知$\frac{1}{2}m{v}_{0}^{2}$=$\frac{1}{2}m{v}_{1}^{2}$$+\frac{1}{2}m{v}_{2}^{2}$
解得v1=0,v2=$\sqrt{\frac{2QEL}{m}}$
(3)设第一次碰撞后,经过时间t2,A和B再发生碰撞,则
$\frac{1}{2}a{t}_{2}^{2}$=v2t2
解得t2=2$\sqrt{\frac{2mL}{QE}}$
答:(1)A球经过t$\sqrt{\frac{2mL}{QE}}$与B球发生第一次碰撞;
(2)第一次碰撞后,A、B两球的速度分别是v1=0,v2=$\sqrt{\frac{2QEL}{m}}$;
(3)第一次碰撞后,要经过2$\sqrt{\frac{2mL}{QE}}$再次发生碰撞.

点评 本题是小球周期性运动问题,综合应用牛顿运动定律和能量守恒定律、动量守恒定律解题,属于难题.

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