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微观粒子之间的相互作用都是通过交换某种粒子(如光子、中间玻色子、胶子)来实现的。粒子间的排斥作用可以简化为如下的一个力学模型来描述:

水平冰面上两个质量均为m的滑冰者A和B,分别以大小为vA和vB的水平速度相向运动(如图所示)。当它们趋近到一定距离时,为避免相撞,A立即沿水平方向向B扔出一个动量大小为p(相对地面,下同)、质量可以忽略的沙包,沙包在B手中停留一段时间T后又以大小相同的动量p水平扔回A手中,A又经相同时间T再次以同样大小的动量水平扔给B,并不断重复上述过程,最终两个滑冰者避免了相撞。设水平冰面摩擦不计,除沙包在A、B手中停留的时间T外,不计空中飞行的时间。求:

(1)滑冰者B第一次把沙包接到手中时A、B的速度;

(2)从A开始扔沙包算起,沙包在A、B之间至少被扔出几次才可以避免两个滑冰者相撞?

答案

解:(1)取水平向左为正方向,第一次A扔沙包、B接沙包,设A扔沙包后速度为

,B接沙包后速度为,对A扔沙包,由动量守恒定律有:mvA=m+p  ①

对B接沙包,由动量守恒定律有:-mvB=m

-P  ②

由①②可得:

=vA  ③

=-vB+  ④

(2)第二次是B扔沙包、A接沙包,设B扔沙包后速度为

,A接沙包后速度为,对B扔沙包,由动量守恒定律有:

m

=m-P  ⑤

对A接沙包,由动量守恒定律有:m

-P=  ⑥

由③-⑥可得:

=vA-2  ⑦

=-vB+2  ⑧

设n次扔沙包、接沙包后A的速度为vAn,B的速度为vBn,则由上述推理可得

vAn=vA-n

  ⑨

=-vB+n  ⑩

要使A、B不相撞且扔沙包次数最少,应满足

因此,满足A、B不相撞所需的最少扔沙包次数n=

   

所以,当

为整数时,最少扔沙包次数为次   

不为整数时,最少扔沙包次数为[+1]次

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