Question

9．如圖所示，小車的中央固定一木樁，小車與木樁總質量為m₁，質量為m₂的木塊與平板小車并排靜止在光滑水平面上，木樁最高點O距離小車平板的高度h=0.3m，細線長度L=0.2m，將質量為m₃的小球與O點相連．將細線拉直，使小球與O點等高，靜止釋放小球，以后小球將與木樁發(fā)生碰撞，設碰撞過程中無機械能損失，m₁：m₂：m₃=3：2：1，g=10m/s²，試求：小球與木樁發(fā)生碰撞后小球距離小車平板的最大高度？

Answer 1

分析 小球從與O點等高處靜止釋放后，三個物體組成的系統(tǒng)的動量守恒，由機械能守恒定律和動量守恒定律求出小球與樁碰撞前的速度；
碰撞的過程中小車與小球組成的系統(tǒng)的動量守恒，碰撞后小球與小車組成的系統(tǒng)的動量守恒，根據(jù)動量守恒定律與機械能守恒即可求解小球距離小車平板的最大高度．

解答 解：小球從與O點等高處靜止釋放后，三個物體組成的系統(tǒng)的動量守恒，設向右的方向為正方向，碰撞前小車與木塊的速度為v₁，小球的速度為v₂，則由機械能守恒得：$\frac{1}{2}（{m}_{1}+{m}_{2}）{v}_{1}^{2}+\frac{1}{2}{m}_{3}{v}_{2}^{2}={m}_{3}gL$
由動量守恒定律得：（m₁+m₂）v₁+m₃v₂=0
聯(lián)立解得：${v}_{1}=-\sqrt{\frac{gL}{15}}$，${v}_{2}=5\sqrt{\frac{gL}{15}}$
小球與小車碰撞的過程中小車與小球組成的系統(tǒng)的動量守恒，碰撞后運動的過程中由于小球組成的系統(tǒng)的動量依舊守恒，當小球的高度再次達到最高時，二者的速度相等，設小球到達最高點后共同的速度是v，由動量守恒定律得：m₁v₁+m₃v₂=（m₁+m₃）v
小車與小球的機械能守恒，得：$\frac{1}{2}{m}_{1}{v}_{1}^{2}+\frac{1}{2}{m}_{3}{v}_{2}^{2}=\frac{1}{2}（{m}_{1}+{m}_{3}）{v}^{2}+{m}_{3}g{h}_{1}$
聯(lián)立解得：${h}_{1}=\frac{13}{15}L=\frac{13}{15}×0.2m=0.173$m
這個h₁是小球距離擺動最低點的高度，小球距離平板高度：H=h₁+（h-L）=0.173+（0.3-0.2）=0.273m
答：小球與木樁發(fā)生碰撞后小球距離小車平板的最大高度是0.273m

點評 解決問題首先要清楚研究對象的運動過程．應用動量守恒定律時要清楚研究的對象和守恒條件．我們要清楚運動過程中能量的轉化，以便從能量守恒角度解決問題．