【正确解答】 子弹射入砂袋前后动量守恒,设子弹打入砂袋瞬间具有速度v0′,由动量守恒定律: mv0=(M1+m)v′ ①
此后(M1+m)在摆动过程中,水平方向做减速运动,而M2在水平方向做加速运动,当(M1+m)与M2具有共同水平速度时,悬线偏角θ达到最大,即竖直向上的速度为零,在这一过程中。满足机械能守恒,设共同速度为v,由机械能守恒有:
但式①,②中有三个未知量,v0,v0′,v,还需再寻找关系。
从子弹入射前到摆动至最同点具有共同速度v为止,在这个过程中,水平方向不受外力,所以、动量守恒,由动量守恒定律有: mv0=(M1+M1+m)v ③
【小结】 对于大部分学生来讲,掌握一定的物理模型并不困难,困难在于题目变化,新的题目中的模型如何能够转换成为我们熟悉的,旧有的,规范的物理模型中,进而用比较普遍运用的物理规律去求解,此题就是从滑动的小车摆(暂且这样称呼)迁延至“冲击摆”,找出两者之间的共同点与区别,达到解决问题的目的。
例18、 如图5-14所示,有两个物体A,B,紧靠着放在光滑水平桌面上,A的质量为2kg,B的质量为3kg。有一颗质量为100g的子弹以800m/s的水平速度射入A,经过0.01s又射入物体B,最后停在B中,A对子弹的阻力为3×103N,求A,B最终的速度。
【错解分析】错解: 设A,B质量分别为mA,mB,子弹质量为m,子弹离开A的速度为v,物体A,B最终速度分别为vA,vB,A对子弹的阻力为f。 在子弹穿过A物体的过程中,对子弹用动量定理:以子弹初速度v0为正:
-f·t = mv-mv0 解得:v=500m/S 对物体A用动量定理。 f·t = mAvA-0 解得:vA=15m/S。
对子弹、物体B组成的系统,因为合外力为零,所以动量守恒,由动量守恒定律有: mv=(m+mB)vB
解得:vB=16.13m/s。
问题主要出在对物体A用动量定理,因为动量定理讲的是“物体所受合外力的冲量等于物体动量的改变”。而此处物体A除了受摩擦力以外还受到B对A的挤压作用。其实,此题可以避免A,B之间的挤压力,方法就是把A,B看成一个整体。
【正确解答】 设A,B质量分别为mA,mB,子弹质量为m。子弹离开A的速度为了v,物体A,B最终速度分别为vA,vB。
在子弹穿过A的过程中,以A,B为整体,以子弹初速v0为正方向,应用动量定理。
f·t=(mA+mB)u (u为A,B的共同速度) 解得:u = 6m/s。
由于B离开A后A水平方向不受外力,所以A最终速度VA=u=6m/s。 对子弹,A和B组成的系统,应用动量守恒定律: mv0=mA·vA+(m+mB)vB 解得:vB= 21.94m/s。
物体A,B的最终速度为vA=6m/s,vB=21.94m/s。
【小结】 (1)此题当然还有其他解法,如在子弹穿过A的过程中依然用动量定理,求得A和B的速度为6m/s。也是A的最终速度,再对此过程用动量守恒,求出子弹射穿A以后的速度,(设为V,其余所设如前)
mv0=mv+(mA+mB)u ①
在子弹射穿B的过程中动量守恒 mv+mBu=(m+mB)u' ②
代入数据解得:v=500m/s。 u'=21.94m/s。即为B的最终速度。
(2)通过对本题的不同解法可看出,由于选取的研究对象不同,对象的物理过程特点也就不同。因此,导致具体的解题方法也不一样。
例19、 如图5-15所示,甲、乙两小孩各乘一辆冰车在水平冰面上游戏。甲和他的冰车总质量共为30kg,乙和他的冰车总质量也是30kg。游戏时,甲推着一个质量为15kg的箱子和他一起以2m/s的速度滑行,乙以同样大小的速度迎面滑来。为了避免相撞,甲突然将箱子滑冰面推给乙,箱子滑到乙处,乙迅速抓住。若不计冰面摩擦,求甲至少以多大速度(相对地)将箱子推出,才能避免与乙相撞?
【错解分析】错解: 设甲与他的冰车以及乙与他的冰车的质量为M,箱子的质量为m,开始时他们的速率为v0,为了不与乙相碰。
错解一:甲必须停止,所以,对甲和他的冰车及箱子,推出前后满足动量守恒,由动量守恒定律: (M+m)v0=0+mv
错解二:乙接到箱子后停下,所以,对箱子及乙和他的冰车,接到箱子前后动量守恒,设箱子的运动方向为正方向,由动量守恒定律有: mv-Mv0=0
在此题中,有两个关键问题必须弄清楚,第一,“不相撞”的意义,是否意味着一个物体停下,实际上,不相撞的意义就是两个物体的速度相等(同向情况)。
物体停止运动,也不一定就撞不上。如本题错解二。按照错解答案我们可知,当甲用4m/s的速度推箱子,箱子以4m/s的速度迎面向乙滑去,与乙相互作用后,乙与箱子都停下来了。那么,此时甲停了吗?我们可以继续完成本题,设甲推出箱子的速度为v',对甲和箱子,(以甲和箱子的初速度为正),由动量守恒定律有:
(M+m)v0=Mv'+mv
解得:v'=1m/s。符号为正,说明甲以4m/s的速度推出箱子后继续向前运动,而乙接住箱子后要停下,这样甲就与乙相撞,所以4m/s的速度太小了。结果不符合题目要求。第二个关键在于不仅要不相撞,而且还要求甲推箱子的速度为最小,即若甲用相当大的速度推箱子,乙接到箱子后还会后退,这样就不满足“至少”多大的条件了,错解一即是这样,将所求的数据代入可以得知,乙和箱子将以0.67m/s的速度后退。
【正确解答】 要想刚好避免相撞,要求乙抓住箱子后与甲的速度正好相等,设甲推出箱子后的速度为v1,箱子的速度为v,乙抓住箱子后的速度为v2。 对甲和箱子,推箱子前后动量守恒,以初速度方向为正,由动量守恒定律: (M+m)v0= mv+Mv1 ①
对乙和箱子,抓住箱子前后动量守恒,以箱子初速方向为正,由动量守恒定律有:
mv-Mv0=(m+M)v2 ② 刚好不相撞的条件是: v1=v ③
联立①②③解得:v=5.2m/s,方向与甲和箱子初速一致。
【小结】 本题从动量守恒定律的应用角度看并不难,但需对两个物体的运动关系分析清楚(乙和箱子、甲的运动关系如何,才能不相撞)。这就需要我们要将“不相撞”的实际要求转化为物理条件,即:甲、乙可以同方向运动,但只要乙的速度不小于甲的速度,就不可能相撞。