解:(1)A与B刚发生第一次碰撞后,A停下不动,
B以初速V0向右运动。由于摩擦,B向右作匀减速运动,而C向右作匀加速运动,两者速率逐渐接近。 设B、C达到相同速度V1时B移动的路程为s1。
设A、B、C质量皆为m,由动量守恒定律,得 mV0=2mV1 ① 由功能关系,得
22
μmgs1=2mV0/2-mV1/2 ② 由①得 V1=V0/2
2
代入②式,得 s1=3V0/(8μg) 根据条件 V0<
,得
s1<3l/4 ③
可见,在B、C达到相同速度V1时,B尚未与
A发生第 二次碰撞,B与C一起将以V1向右匀速运动一段距离(l-s1)后才与A发生第二次碰撞。设C的速度从零变到V1的过程中,C的路程为s2。由功能关系,得
2
μmgs2=mV1/2 ④
2
解得 s2=V0/(8μg)
因此在第一次到第二次碰撞间C的路程为
s=s2+l-s1=l-V0/(4μg) ⑤
(2)由上面讨论可知,在刚要发生第二次
碰撞时,A静止,B、C的速度均为V1。刚碰撞后,B静止,A、C的速度均为V1。由于摩擦,B将加速,C将减速,直至达到相同速度V2。由动量守恒定律,得
mV1=2mV2 ⑥ 解得 V2=V1/2=V0/4
因A的速度V1大于B的速度V2,故第三次碰
撞发生在A的左壁。刚碰撞后,A的速度变为V2,B的速度变为V1,C的速度仍为V2。由于摩擦,B减速,C加速,直至达到相同速度V3。由动量守恒定律,得
mV1+mV2=2mV3 ⑦ 解得 V3=3V0/8
故刚要发生第四次碰撞时,A、B、C的速度分
别为
VA=V2=V0/4 ⑧ VB=VC=V3=3V0/8 ⑨
2
【例题2】如图所示,一排人站在沿x轴的水平轨道旁,原点O两侧的人的序号都记为n(n=1,2,3……).每人只有一个沙袋,x>0一侧的每个沙袋质量m=14kg,x<0一侧的每个沙袋质量为m′=10kg.一质量为M=48kg的小车以某初速度从原点出发向正x方向滑行.不计轨道阻力,当车每经过一人身旁时,此人就把沙袋以水平速度V朝与车速相反的方向沿车面扔到车上,V的大小等于扔此袋之前的瞬间车速大小的2n倍(n是此人的序号数). (1)空车出发后,车上堆积了几个沙袋时车就反向滑行?
(2)车上最终有大小沙袋共多少个?
【分析与解答1】:在小车运动过程中,由于不断有沙袋扔到车上,小车的速度逐渐变小。显然,这是一个多物体参与作用、过程较复杂的物理问题。我们先以各个子过程为切入点,分别运用动量守恒定律进行分析和探究。
(1)在的一侧,
第1个人扔沙袋到车上:
第2个人扔沙袋到车上:
第3个人扔沙袋到车上:
由以上分析和计算可得出一定的规律,则第n个人扔沙袋到车上时有
要使小车反向滑行,则要满足
所以解得
,所以当小车上堆积
个沙
袋时小车开始反向滑行。
(2)只要小车的速度不等于零,就将有人扔沙袋到小车上。
在的一侧,(令)
负侧第1人扔沙袋到车上:
负侧第2人扔沙袋到车上:
容易看出当小车经过负侧第n人(看小车的速
度能否为零)有
解得n=8。则车上最终有大小沙袋共11个。 【分析与解答2】:因为扔到车上的沙袋的水平速度与车行方向相反,两者相互作用后一起运动时,总动量的方向(即一起运动的方向)必与原来动量较大的物体的动量方向相同.当经过第n个人时,扔上去的沙袋的动量大于车及车上沙袋的动量时,车就会反向运动.车向负x方向运动时、当扔上去的沙袋的动量与车及车上沙袋的动量等值反向时,车将停止运动. (1)设小车朝正x方向滑行过程中,当车上已有(n-1)个沙袋时的车速为Vn-1,则车与沙袋的动