Question

如圖13-1所示，物體A從高h的P處沿光滑曲面從靜止開始下滑，物體B用長為L的細繩豎直懸掛在O點且剛和平面上Q點接觸。已知mA=mB，高h及S(平面部分長)。若A和B碰撞時無能量損失。

(1)若L≤h/4，碰后A、B各將做什么運動?

(2)若L=h，且A與平面的動摩擦因數(shù)為μ，A、B可能碰撞幾次？A最終在何處？

Answer 1

【小題1】A與B碰后，B必做圓周運動。因此(1)的解為：A與B碰后A停在Q處，B做圓周運動，經(jīng)一周后，B再次與A相碰，B停在Q處，A向右以速度做勻速直線運動。

【小題2】(2)由上面分析可知，當L=h時，A與B碰后，B只做擺動，因水平面粗糙，所以A在來回運動過程中動能要損失。設(shè)碰撞次數(shù)為n，由動能定理可得：

　　 m_Agh-nμm_AgS=0 所以n=h/μS

討論：若n為非整數(shù)時，相碰次數(shù)應(yīng)湊足整數(shù)數(shù)目。

　　 如n=1.2，則碰撞次數(shù)為兩次。

當n為奇數(shù)時，相碰次數(shù)為(n-1)次。如n=3，則相碰次數(shù)為兩次，且A球剛到達Q處將碰B而又未碰B；

當n為偶數(shù)時，相碰次數(shù)就是該偶數(shù)的數(shù)值，如n=4，則相碰次數(shù)為四次。球?qū)⑼Ｔ诰郆球S處的C點。A球停留位置如圖13-2所示

解析:

當水平部分沒有摩擦?xí)r，A球下滑到未碰B球前能量守恒，與B碰撞因無能量損失，而且質(zhì)量相等，由動量守恒和能量守恒可得兩球交換速度。A 停在Q處，B碰后可能做擺動，也可能饒 O點在豎直平面內(nèi)做圓周運動。如果做擺動，則經(jīng)一段時間，B反向與A相碰，使A又回到原來高度，B停在Q處，以后重復(fù)以上過程，如此繼續(xù)下去，若B做圓周運動，B逆時針以O(shè)為圓心轉(zhuǎn)一周后與A相碰，B停在Q處，A向右做勻速運動。由此分析，我們可得本題的解如下：

【小題1】(1)A與B碰撞前A的速度：mgh=mV_A²，V_A=

因為m_A=m_B，碰撞無能量損失，兩球交換速度，得：V_A’=0，V_B’=V_A=

設(shè)B球到最高點的速度為Vc，B做圓周運動的臨界條件：m_Bg=m_BV²/L [1]

又因m_BV_B‘²=m_BV²+m_Bg2L [2]

將[1]式及V_B’=代入[2]式得：L=2h/5

即L≤2h/5時，A、B碰后B才可能做圓周運動。而題意為L=h/4＜2h/5，故A與B碰后，B必做圓周運動。因此(1)的解為：A與B碰后A停在Q處，B做圓周運動，經(jīng)一周后，B再次與A相碰，B停在Q處，A向右以速度做勻速直線運動。

【小題2】(2)由上面分析可知，當L=h時，A與B碰后，B只做擺動，因水平面粗糙，所以A在來回運動過程中動能要損失。設(shè)碰撞次數(shù)為n，由動能定理可得：

　　 m_Agh-nμm_AgS=0 所以n=h/μS

討論：若n為非整數(shù)時，相碰次數(shù)應(yīng)湊足整數(shù)數(shù)目。

　　 如n=1.2，則碰撞次數(shù)為兩次。

當n為奇數(shù)時，相碰次數(shù)為(n-1)次。如n=3，則相碰次數(shù)為兩次，且A球剛到達Q處將碰B而又未碰B；

當n為偶數(shù)時，相碰次數(shù)就是該偶數(shù)的數(shù)值，如n=4，則相碰次數(shù)為四次。球?qū)⑼Ｔ诰郆球S處的C點。A球停留位置如圖13-2所示