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4动量和角动量习题思考题
习题4
4-1.如图所示的圆锥摆,绳长为l,绳子一端固定,另一端系一质量为m的质点,以匀角速ω绕铅直线作圆周运动,绳子与铅直线的夹角为θ。在质点旋转一周的过程中,试求:
(1)质点所受合外力的冲量;
(2)质点所受张力T的冲量。
解:(1)设周期为,因质点转动一周的过程中,
速度没有变化,,由,
∴旋转一周的冲量;
(2)如图该质点受的外力有重力和拉力,
且,∴张力T旋转一周的冲量:
所以拉力产生的冲量为,方向竖直向上。。已知其中一力方向恒与运动方向一致,大小随时间变化内关系曲线为半个椭圆,如图。求:
(1)力在1s到3s间所做的功;
(2)其他力在1s到3s间所做的功。
解:(1)由于椭圆面积为,
∴
(2)由动能定理可知,当物体速度不变时,外力做的
总功为零,所以当该做的功为125.6J时,其他的力
的功为125.6J。
4-3.质量为的质点在平面内运动,运动学方程为
,求:
(1)质点在任一时刻的动量;
(2)从到的时间内质点受到的冲量。
解:(1)根据动量的定义:,而,
∴ ;
(2)由 ,
所以冲量为零。
4-4.质量为M=2.0kg的物体(不考虑体积),用一根长为l=1.0m的细绳悬挂在天花板上。今有一质量为m=20g的子弹以=600m/s的水平速度射穿物体。刚射出物体时子弹的速度大小=30m/s,设穿透时间极短。求:
(1)子弹刚穿出时绳中张力的大小;
(2)子弹在穿透过程中所受的冲量。
解:(1)解:由碰撞过程动量守恒可得:
∴
根据圆周运动的规律:,有:;
(2)根据冲量定理可得:。
4-5.一静止的原子核经放射性衰变产生出一个电子和一个中微子,巳知电子的动量为,中微子的动量为,两动量方向彼此垂直。(1)求核反冲动量的大小和方向;(2)已知衰变后原子核的质量为,求其反冲动能。
解:由碰撞时,动量守恒,分析示意图,有:
(1)
又∵,∴ ,
所以 , ;
(2)反冲的动能为:。
4-6.中子的发现者查德威克于1932年通过快中子与氢核、氮核的对心弹性碰撞发现氢核的反冲速度为,氮核的反冲速度为,已知氢核的质量为,氮核的质量为,试推算中子的质量及其初速度。
解:设快中子的质量为,氢核的质量为,氮核的质量为,
根据弹性碰撞的规律,可得:,,
代入已知量,可得:
那么,,
。
4-7.一颗子弹在枪筒里前进时所受的合力大小为,子弹从枪口射出时的速率为。设子弹离开枪口处合力刚好为零。求:
(1)子弹走完枪筒全长所用的时间;
(2)子弹在枪筒中所受力的冲量;
(3)子弹的质量。
解:(1)由于离开枪口处合力刚好为零,有:,
得:;
(2)由冲量定义:有:
(3)再由,有:。
4-8.有质量为的弹丸,从地面斜抛出去,它的落地点为。如果它在飞行到最高点处爆炸成质量相等的两碎片。其中一碎片铅直自由下落,另一碎片水平抛出,它们同时落地。问第二块碎片落在何处。
解:利用质心运动定理,在爆炸的前后,质心始终只受重力的作用,因此,质心的轨迹为一抛物线,它的落地点为。
,而, ,
∴ 。
4-9.两个质量分别为和的木块,用一劲度系数为的轻弹簧连接,放在光滑的水平面上。紧靠墙。今用力推块,使弹簧压缩然后释放。(已知,)求:(1)释放后两滑块速度相等时的瞬时速度的大小;(2)弹簧的最大伸长量。
解:分析题意,首先在弹簧由压缩状态回到原长时,是弹簧的弹性势能转换为B木块的动能,然后B带动A一起运动,此时动量守恒,两者具有相同的速度v 时,弹簧伸长最大,由机械能守恒可算出其量值。
(1)
所以:;
(2)
那么计算可得:
4-10.二质量相同的小球,一个静止,一个以速度与另一个小球作对心碰撞,求碰撞后两球的速度。(1)假设碰撞是完全非弹性的;(2)假设碰撞是完全弹性的;(3)假设碰撞的恢复系数。
解:(1)完全非弹性碰撞具有共同的速度:,∴;
(2)完全弹性碰撞动量守恒,能量守恒:
两球交换速度;
(3)假设碰撞的恢复系数,按定义:,
有:,再利用,
可求得: , 。
4-11.如图,光滑斜面与水平面的夹角为,轻质弹簧上端固定.今在弹簧的另一端轻轻地挂上质量为的木块,木块沿斜面从静止开始向下滑动.当木块向下滑时,恰好有一质量的子弹,沿水平方向以速度射中木块并陷在其中。设弹簧的劲度系数为。求子弹打入木块后它们的共同速度。
解:由机械能守恒条件可得到碰撞前木快的速度,碰撞过程中子弹和木快沿斜面方向动量守恒,可得:
(碰撞前木快的速度)
再由沿斜面方向动量守恒定律,可得:
。
4-12. 水平路面上有一质量的无动力小车以匀速率运动。小车由不可伸长的轻绳与另一质量为的车厢连接,车厢前端有一质量为的物体,物体与车厢间摩擦系数为。开始时车厢静止,绳未拉紧。求:
(1)当小车、车厢、物
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