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如图所示,一根跨越一固定的水平光滑细杆、轻绳两端拴有两个质量均为m的小球a和b(可视为质点),Oa段的长度为L1,Ob段的长度为L2,且L1>L2,球a置于地面,球b被拉到与细杆水平的位置,在绳刚拉直时放手,小球b从静止状态向下摆动,当球b摆到最低点时,恰好与球a在同一水平位置发生碰撞并粘合在一起,设碰撞时间极短,往后两球以O点为圆心做圆周运动,若已知碰前瞬间球a的速度大小为va,方向竖直向上,轻绳不可伸长且始终处于绷紧状态,求:
(1)球b在碰撞前瞬间的速度大小;
(2)两小球粘合后做圆周运动时绳中张力的大小;
(3)两球在碰撞过程中,合外力对球a施加的冲量。

答案

(1)对a、b系统有:mgL1=2mg(L1-L2)/2+mvb2/2+mva2/2 ① 解得:vb= ② (2)当球b运动到最低点时,其竖直方向的速度与va大小相等,方向相反(因为绳长不变),球b在水平方向的速度vbx= ③ 球b与球a在水平方向碰撞,有:mvbx=2mv ④ 绳中张力T由牛顿第二定律有:T-mg=mv2/[(L1+L2)/2] ⑤ 由②③④⑤得:T=mg+(gL2-va2)/(L1+L2) (3)在碰撞过程中,对球a有:I=m=m 冲量与水平方向的夹角θ=arctan

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