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如图所示,劲度系数为k的轻弹簧,左端连着绝缘介质小球B,右端连在固定板上,放在光滑绝缘的水平面上.整个装置处在场强大小为E、方向水平向右的匀强电场中.现有一质量为m、带

网友投稿  2022-08-28 00:00:00  零零社区

◎ 题目

如图所示,劲度系数为k的轻弹簧,左端连着绝缘介质小球B,右端连在固定板上,放在光滑绝缘的水平面上.整个装置处在场强大小为E、方向水平向右的匀强电场中.现有一质量为m、带电荷量为+q的小球A,从距B球为S处自由释放,并与B球发生碰撞.碰撞中无机械能损失,且A球的电荷量始终不变.已知B球的质量M=3m,弹簧振子的周期T=2π

M
k
(A、B小球均可视为质点).

魔方格

(1)求A球与B球第一次碰撞后瞬间,A球的速度v1和B球的速度v2
(2)要使A球与B球第二次仍在B球的初始位置迎面相碰,求劲度系数k的可能取值.
(3)若A球与B球每次都在B球的初始位置迎面相碰.请你以A球自由释放的瞬间为计时起点,速度方向向右为正方向,求作A球的v-t图线(要求至少画出小球A与B球发生第三次碰撞前的图线,必须写出画图的依据).

◎ 答案

(1)设A球与B球碰撞前瞬间的速度为v0
由动能定理得,qES=
1
2
mv02
                         
解得:v0=

2qES
m
                          
碰撞过程中动量守恒   mv0=mv1+Mv2                             
机械能无损失,有
1
2
mv02=
1
2
mv12+
1
2
Mv22
                            
解得,v1=-
1
2
v0=-
1
2

2qES
m
负号表示方向向左  
v1=v0(舍)
v2=
1
2
v0=
1
2

2qES
m
,方向向右                v2=0(舍)
(2)由(1)可知,碰撞后A球向左减速,B球以初速
1
2
v0向右做简谐运动,要使m与M第二次迎面碰撞仍发生在原位置,则必有A球重新回到O处所用的时间t恰好等于B球的(n+
1
2
)T
      a=
Eq
m
                        
则t=2
v1
a
=nT+
T
2
(n=0、1、2、3 …)   
 t=2π

M
k
                         
解得:k=
2Eq(2n+1)2
2S
(n=0、1、2、3 …) 
(3)A球与B球的第二次前速度分别为-v1、-v2,碰撞后速度分别为v′1和v′2,应满足
碰撞过程中动量守恒-mv1-Mv2=mv′1+Mv′2                        
机械能无损失,有
1
2
mv12
+
1
2
Mv22
=
1
2
mv′12
+
1
2
Mv′22
               
解得:v′1=2v1=-v0=-

2qES
m
方向向左,v′2=0                      
可见,当A球再次回到O处与B球发生第三次碰撞时,第三次碰撞是第一次碰撞的重复,此后过程将周而复始地进行,A球的v-t图线如图所示,

魔方格


其中v0=

2qES
m
t′=
v0
a
=

2mS
qE

答:(1)A球与B球第一次碰撞后瞬间,A球的速度大小为
1
2

2qES
m
,方向向左,和B球的速度大小为
1
2

2qES
m
方向向右;
   (2)要使A球与B球第二次仍在B球的初始位置迎面相碰,劲度系数k的可能取值为
2Eq(2n+1)2
2S
(n=0、1、2、3 …).
   (3)图象如图所示.

◎ 解析

“略”

◎ 知识点

    专家分析,试题“如图所示,劲度系数为k的轻弹簧,左端连着绝缘介质小球B,右端连在固定板上,放在光滑绝缘的水平面上.整个装置处在场强大小为E、方向水平向右的匀强电场中.现有一质量为m、带…”主要考查了你对  【匀变速直线运动】,【弹力的大小、胡克定律】,【功能关系】,【动量守恒定律】,【电场强度的定义式】  等知识点的理解和应用能力。关于这些知识点的“档案”,你可以点击相应的链接进行查看和学习。



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