06年大學聯考試題中的碰撞問題

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06年大學聯考試題中的碰撞問題
06 年 高 考 試 題 中 的 碰 撞 問 題
                 
 打擊、碰撞問題與日常生活息息相關,很多實際情景可提煉抽象成碰撞模型,這類問題的背景材料十分豐富。另外,打擊、碰撞過程中相互作用的兩個物體在打擊、碰撞前後各自可有豐富的運動形式,從前些年的直線運動,到06年的圓周、平拋運動;碰撞的物件非常廣泛,大到宇宙中的天體,小到微觀粒子,這類問題又能夠將高中的主幹知識貫穿起來。因此,在題量少,分值大的理綜考試模式中更是頻頻出現。06年的天津、四川、重慶理綜卷,單獨考試的江蘇、廣東卷中都出了大題,其中四川、重慶和廣東卷更是以壓軸題形式出現。品讀這些題目,其突出表現為三大特點:一是,碰撞的形式豐富,囊括了所有的型別,從天津、四川、重慶、廣東卷中的正碰到江蘇卷中的斜碰(巧取參考系後,可轉化為正碰)。碰撞中又涉及到彈性碰撞(重慶卷)、非彈性碰撞(四川卷)、完全非彈性碰撞(天津卷);二是,碰撞前後物體的運動形式非常豐富,從沿襲以往的直線運動(天津卷)到受軌道制約的圓周運動(重慶卷),複合場中的平拋和圓周運動(四川卷);三是,碰撞呈現出週期性(重慶和廣東卷)。
正碰問題
 碰撞過程的前後,相互作用的物體的速度在一條直線上的碰撞問題。
 ⑴彈性碰撞
 彈性碰撞是指碰撞過程中的動量守恆,機械能守恆。
 例1、(06年重慶理綜壓軸題)如圖所示,半徑為R的光滑圓形軌道固定在豎直面內。小球A、B質量分別為m、βm(β為待定係數)。A球從左邊與圓心等高處由靜止開始沿軌道下滑,與靜止於軌道最低點的B球相撞,碰撞後A、B球能達到的最大高度均為,碰撞中無機械能損失。重力加速度為g。試求:
 (1)待定係數β;
 (2)第一次碰撞剛結束時小球A、B各自的'速度和B球對軌道的壓力;
 (3)小球A、B在軌道最低處第二次碰撞剛結束時各自的速度,並討論小球A、B在軌道最低處第n次碰撞剛結束時各自的速度。
解析:A、B可看作質點, A、B在軌道最低點發生彈性正碰。
(1)由 得
  
(2)設 A、B 碰撞後的速度分別為、,則
   
  
   設向右為正、向左為負,解得
   ,方向向左
   ,方向向右
 設軌道對 B 球的支援力為 N, B 球對軌道的壓力為N′,方向豎直向上為正、向下為負.則,,方向豎直向下
(3)設 A、B 球第二次碰撞剛結束時的速度分別為 V1、V2,則
 
 解得 (另一組解:V1=-,V2=-不合題意,捨去)
由此可得:
 當 n為奇數時,小球 A、B 在第 n次碰撞剛結束時的速度分別與其第一次碰撞剛結束時相同;
 當 n為偶數時,小球 A、B 在第 n次碰撞剛結束時的速度分別與其第二次碰撞剛結束時相同;
⑵非彈性碰撞
 非彈性碰撞的特點是,碰撞過程中動量守恆,機械能有損失,但損失的不是最多。
 例2、(06年四川理綜壓軸題)如圖所示,在足夠大的空間範圍內,同時存在著豎直向上的勻強電場和垂直紙面向裡的水平勻強磁場,磁感應強度B=1.57T。小球1帶正電,其電量與質量之比q1/m1=4 C/kg,所受重力與電場力的大小相等;小球2不帶電,靜止放置於固定的水平懸空支架上。小球1向右以=23.59 m/s的水平速度與小球2正碰,碰後經過0.75 s再次相碰。設碰撞前後兩小球帶電情況不發生改變,且始終保持在同一豎直平面內。
(取g=10 m/s2)
問(1)電場強度E的大小是多少?
 (2)兩小球的質量之比是多少?
解析:(1)小球1所受的重力與電場力始終平衡                
        ①
         ②
(2)相碰後小球1做勻速圓周運動,由牛頓第二定律得:
                          ③
半徑為                                      ④
週期為                                ⑤
 因為兩小球運動時間            
所以小球1只能逆時針經個圓周時與小球2再次相碰        ⑥
第一次相碰後小球2作平拋運動              ⑦
                       ⑧
兩小球第一次碰撞前後動量守恆,以水平向右為正方向
                         ⑨
由⑦、⑧式得                
由④式得                  17.66 m/s     
所以兩小球質量之比                       ⑩
 由以上解析過程知,1、2小球發生的是非彈性正碰。
 ⑶完全非彈性碰撞
 完全非彈性碰撞跟非彈性碰撞的區別僅在於這時能量損失最多,特點是碰後兩者達到共同速度。
 例 3、(06年天津理綜)如圖所示,坡道頂端距水平面高度為h,質量為m1 的小物塊A從坡道頂端由靜止滑下,進入水平面上的滑道時無機械能損失,為使A制動,將輕彈簧的一端固定在水平滑道延長線M處的牆上,另一端與質量為 m2 檔板 B相連,彈簧處於原長時,B恰位於滑道的末端 O點。A與B碰撞時間極短,碰後結合在一起共同壓縮彈簧,已知在 OM段 A、B 與水平面間的動摩擦因數均為,其餘各處的摩擦不計,重力加速度為 g ,求
(1)物塊 A在與擋板 B碰撞前瞬間速度的大小;
(2)彈簧最大壓縮量為 d時的彈性勢能 Ep(設彈簧處於原長時彈性勢能為零)。
解析:A、B碰後結合在一起運動,則表明碰撞是完全非彈性碰撞。
(1)由機械能守恆定律,有
     
     
(2)A、B在碰撞過程中內力遠大於外力,由動量守恆,有
   
A、B克服摩擦力所做的功
   
由能量守恆定律,有
   
解得
         ⑥
 二 斜碰
 碰撞過程的前後,相互作用的物體的速度不在一條直線上的碰撞問題。
 例 4、(06年江蘇卷)如圖所示,質量均為 m的 A、B兩個彈性小球,用長為 2l的不可伸長的輕繩連線。現把 A、B兩球置於距地面高 H處(H足夠大),間距為 l 。當 A球自由下落的同時,B球以速度指向A球水平丟擲。求:
  (1)兩球從開始運動到相碰,A球下落的高度。
 (2)A、B兩球碰撞(碰撞時無機械能損失)後,各自速度的水平分量。
 (3)輕繩拉直過程中,B球受到繩子拉力的衝量大小。
 解析:碰前A做自由落體運動,速度方向豎直向下,B做平拋運動,速度與豎直方向存在一夾角,因此是斜碰。
(1)設 A球下落的高度為 h
                                        ①
                                       ②
聯立①②得
                                           ③
(2)由水平方向動量守恆得
                               ④
 由機械能守恆得
 ⑤
式中 ,
聯立④⑤得
  ,
⑶A、B兩球豎直方向同步運動,繩子繃直時繩子上產生的彈力只沿水平方向,由水平方向動量守恆得
 
 
 另解 :若以跟A、B同時做自由落體運動的物體為參考系,則可把斜碰轉化為正碰。
(2)由A、B相碰過程中,動量守恆 ,機械能守恆得
   
 解得  ,
 ⑶繩子繃直過程中動量守恆
  
   B球受到繩子拉力的衝量為
  
 06年廣東卷涉及到的碰撞情況很簡單,這裡不再贅述。