题目内容

15.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上摆,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k倍,悬线长L=0.8m,视两球为质点,g=10m/s2,不考虑空气阻力.
(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.

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