题目内容
15.(1)若k=2,碰后B刚好能摆到与悬点同一高度,试求初速v0的大小;
(2)试通过计算,判断(1)情形中小球A是否会和圆桶碰撞;
(3)若v0取(1)中数值,小球A落入孔中且不会与桶壁发生碰撞,试求k的取值范围.
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.
(3)根据平抛运动的水平位移,抓住小球A不与长孔左边相碰,以及小球A不与长孔右边相碰,结合动量守恒和能量守恒的表达式求出k的范围.
解答 解:(1)小球A与B发生弹性正碰,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=kmB,
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
vB=4m/s
vA=1m/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:
$h=\frac{1}{2}g{{t}_{1}}^{2}$ ④
h+2R=$\frac{1}{2}g{{t}_{2}}^{2}$ 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x1=vAt1=0.4m,s<x1<s+d,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x2=vAt2=0.6m,s<x2<s+d,说明小球A恰好能够穿出长孔,不与桶壁相碰.
(3)由(2)中分析知,小球A不与长孔左边相碰的条件为:
vAt1≥s ⑥
小球A不与长孔右边相碰的条件为:
vAt2≤s+d ⑦
由①②式可得,${v}_{A}=\frac{k-1}{k+1}{v}_{0}$ ⑧
⑥~⑧式联立,得1.4≤k≤3.5.
答:(1)初速v0的大小为3m/s;
(2)小球A是不会和圆桶碰撞;
(3)k的取值范围为1.4≤k≤3.5.
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,尤其第三问,需结合水平位移的范围分析判断.
| A. | 汽车发动机的额定功率为kmgv | |
| B. | 汽车行驶的最大速度为$\frac{(kg+a)v}{kg}$ | |
| C. | 当汽车加速度减小到$\frac{a}{2}$时,速度增加到2v | |
| D. | 欲使汽车最大速度增加到2倍,则发动机额定功率应增加到4倍 |
| A. | 高频冶炼炉是利用涡流来熔化金属的装置 | |
| B. | 家用电磁炉上的锅体中的涡流是由恒定磁场产生的 | |
| C. | 金属探测器靠近金属物体时,金属内会产生涡流 | |
| D. | 变压器的铁芯用相互绝缘的硅钢片叠成能减小涡流 |
| A. | 人所受的合力方向与自动扶梯运动方向相同 | |
| B. | 人在水平方向将受到向右的摩擦力的作用 | |
| C. | 人只在竖直方向受力作用,且合力为零 | |
| D. | 人在竖直方向所受力的合力不为零 |