(20分)有两个完全相同的小滑块A和B,A沿光滑水平面以速…——2008 高考物理第 12 题答案解析

2008_北京 Paper

2008 Beijing Question 12 Free-response Differentiating
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12.(20分)有两个完全相同的小滑块A和B,A沿光滑水平面以速度 $\mathbf { \Delta V } _ { 0 } .$ 与静止在平面边缘O点的B发生正碰,碰撞中无机械能损失.碰后B运动的轨迹为OD曲线,如图所示

(1)已知滑块质量为m,碰撞时间为 $\Delta \mathrm { t }$ ,求碰撞过程中A对B平均冲力的大小

(2)为了研究物体从光滑抛物线轨道顶端无初速下滑的运动,特制做一个与B平抛轨道完全相同的光滑轨道,并将该轨道固定在与OD曲线重合的位置,让A沿该轨道无初速下滑(经分析,A下滑过程中不会脱离轨道)

a.分析A沿轨道下滑到任意一点的动量 $\mathbf { \dot { p } _ { A } }$ 与 $\mathrm { B } ^ { \cdot }$ 平抛经过该点的动量 $\mathbf { \dot { p } _ { B } }$ 的大小关系;

b.在OD曲线上有一M点,O和M两点连线与竖直方向的夹角为45°.求A通过M点时的水平分速度和竖直分速度

2008年北京市高考物理试 Paper

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(1)滑块A与B发生弹性正碰,设碰后A、B的速度分别为$v_A$、$v_B$。取向右为正方向,根据动量守恒定律和机械能守恒定律有:
$$ mv_0 = mv_A + mv_B $$
$$ \frac{1}{2}mv_0^2 = \frac{1}{2}mv_A^2 + \frac{1}{2}mv_B^2 $$
联立解得:$v_A = 0$,$v_B = v_0$。
即碰撞后B获得的速度大小为$v_0$。
对滑块B,在碰撞过程中应用动量定理,设A对B的平均冲力大小为$F$,则:
$$ F \Delta t = m v_B - 0 $$
解得:
$$ F = \frac{m v_0}{\Delta t} $$

(2)a. 设轨道上任意一点P距离O点的竖直高度为$h$。
对于滑块A,从O点无初速下滑至P点,只有重力做功,根据机械能守恒定律,其在P点的动能$E_{kA}$满足:
$$ E_{kA} = mgh $$
对于滑块B,做平抛运动,初速度为$v_0$。从O点运动至P点,根据动能定理(或机械能守恒),其在P点的动能$E_{kB}$满足:
$$ E_{kB} = \frac{1}{2}mv_0^2 + mgh $$
显然 $E_{kB} > E_{kA}$。
由动量与动能的关系 $p = \sqrt{2mE_k}$ 可知,质量$m$相同,动能越大,动量越大。
故 $p_A < p_B$。

b. 以O点为原点,水平向右为$x$轴,竖直向下为$y$轴建立直角坐标系。
滑块B做平抛运动,其运动方程为:
$$ x = v_0 t $$
$$ y = \frac{1}{2}gt^2 $$
消去时间$t$,得到B的轨迹方程(即OD曲线方程):
$$ y = \frac{g}{2v_0^2}x^2 $$
已知M点在OD曲线上,且OM连线与竖直方向夹角为$45^\circ$,这意味着M点的横纵坐标相等,即 $x_M = y_M$。
代入轨迹方程:
$$ y_M = \frac{g}{2v_0^2}y_M^2 $$
解得M点的竖直坐标(不为0):
$$ y_M = \frac{2v_0^2}{g} $$

滑块A沿该光滑轨道下滑,在M点时,其速度方向沿轨道切线方向。由于轨道形状与B的轨迹重合,故A在M点的速度方向与B在M点的速度方向相同。
设A在M点的速度大小为$v_A$,水平和竖直分速度分别为$v_{Ax}$、$v_{Ay}$;
B在M点的速度大小为$v_B$,水平和竖直分速度分别为$v_{Bx}$、$v_{By}$。
由几何关系知,速度偏向角的正切值相同,即分速度比值相同:
$$ \frac{v_{Ax}}{v_{Ay}} = \frac{v_{Bx}}{v_{By}} $$
对于平抛运动的B,在M点:
水平分速度 $v_{Bx} = v_0$
竖直分速度 $v_{By} = \sqrt{2gy_M} = \sqrt{2g \cdot \frac{2v_0^2}{g}} = 2v_0$
所以:
$$ \frac{v_{Ax}}{v_{Ay}} = \frac{v_0}{2v_0} = \frac{1}{2} \implies v_{Ay} = 2v_{Ax} $$

对于滑块A,从O到M过程机械能守恒:
$$ \frac{1}{2}mv_A^2 = mgy_M $$
$$ v_A^2 = v_{Ax}^2 + v_{Ay}^2 = 2gy_M $$
将 $y_M = \frac{2v_0^2}{g}$ 代入上式:
$$ v_{Ax}^2 + v_{Ay}^2 = 2g \left( \frac{2v_0^2}{g} \right) = 4v_0^2 $$
联立 $v_{Ay} = 2v_{Ax}$ 和 $v_{Ax}^2 + v_{Ay}^2 = 4v_0^2$:
$$ v_{Ax}^2 + (2v_{Ax})^2 = 4v_0^2 $$
$$ 5v_{Ax}^2 = 4v_0^2 $$
解得:
$$ v_{Ax} = \frac{2}{\sqrt{5}}v_0 = \frac{2\sqrt{5}}{5}v_0 $$
$$ v_{Ay} = 2v_{Ax} = \frac{4\sqrt{5}}{5}v_0 $$

故A通过M点时的水平分速度为 $\frac{2\sqrt{5}}{5}v_0$,竖直分速度为 $\frac{4\sqrt{5}}{5}v_0$。

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