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如图 1-8-10 所示,在光滑的水平地面上有一半圆形槽,槽内壁轨道光滑,半径为 R,左侧靠着一个固定的木桩,现在从槽左端 A 正上方的 D 点处由静止释放一个质量为 m 的小球,球恰好从 A 端自然进入槽内壁的轨道.已知半圆形槽的质量为 2m,D 点到 A 端的高度为.求:

图1-8-10

(1)小球从开始运动至到达槽的最低点的过程中木桩对槽的冲量;

(2)小球沿槽的内壁向右运动能达到的最大高度.

答案

解析:(1)小球下落到达槽的最低点过程中,槽不动,只有重力做功,小球机械能守恒.设小球到达槽的最低点时的速度为 v,由机械能守恒定律得

mv2=mg                                                           ①

由动量定理得,木桩对槽的冲量等于槽和小球系统动量的增量,即 I=mv             

联立①②可得 I=m,方向水平向右

(2)小球到达槽的最低点,继续向右运动,槽和木桩分离.当球和槽相对静止时,小球的高度最大.设此时球和槽的共同速度为 v1,小球相对槽最低点的最大高度为 h,由机械能守恒定律得

mv2=mgh+(m+2m)v12                                                                              

又球和槽系统在水平方向上不受外力,动量守恒,由动量守恒定律得 mv=(m+2m)v

联立①③④可得 h=R

答案:(1)m,方向水平向右  (2)R

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