高中 | 动量守恒定律的理解与一般应用 题目答案及解析

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选修3-5

第十六章 动量守恒定律

16.3 动量守恒定律

动量守恒定律的理解与一般应用

如图,有两个电性相同且质量分别为$m$$4m$的粒子$A$$B$,初始时刻相距$l_{0}$,粒子$A$以速度$v_{0}$沿两粒子连线向速度为$0$的粒子$B$运动,此时$A$$B$两粒子系统的电势能等于$\dfrac{1}{25}mv_{0}^{2}$。经时间$t_{1}$粒子$B$到达$P$点,此时两粒子速度相同,同时开始给粒子$B$施加一恒力,方向与速度方向相同。当粒子$B$的速度为$v_{0}$时,粒子$A$恰好运动至$P$点且速度为$0$$A$$B$粒子间距离恢复为$l_{0}$,这时撤去恒力。己知任意两带电粒子系统的电势能与其距离成反比,忽略两粒子所受重力。求:($m$$l_{0}$$v_{0}$$t_{1}$均为己知量)

粒子$B$到达$P$点时的速度大小$v_{1}$

[["

$\\dfrac{1}{5}v_{0}$

"]]

根据动量守恒定律$mv_{0}=(m+4m)v_{1}$,解得$v_{1}=\dfrac{1}{5}v_{0}$

$t_{1}$时间内粒子$B$的位移大小$x_{B}$

[["

$\\dfrac{v_{0}t_{1}}{5}- \\dfrac{2}{11}l_{0}$

"]]

两者共速时设间距为$l'$,根据能量守恒定律可知此时电势能为$E_{\rm p}'=\dfrac{1}{2}m{v_{0}}^{2}+ \dfrac{1}{25}m{v_{0}}^{2}-\dfrac{1}{2} \times 5m{v_{1}}^{2}= \dfrac{11}{25}m{v_{0}}^{2}$

根据题意电荷间的电势能与它们间的距离成反比,则$l'=\dfrac{E_{p0}}{E_{p}'}l_{0}=\dfrac{1}{11}l_{0}$

两者共速前的过程系统始终动量守恒,根据动量守恒则有$∑mv_{0}t_{1}=∑mv_{A}t_{1}+∑4mv_{B}t_{1}$

即有$mv_{0}t_{1}=mx_{A}+4mx_{B}$

根据位移关系可知$x_{B}+l_{0}=x_{A}+l'$

联立解得$x_{B}=\dfrac{v_{0}t_{1}}{5}-\dfrac{2}{11}l_{0}$

恒力作用的时间$t_{2}$

[["

$\\dfrac{2l_{0}}{v_{0}}$

"]]

对全过程,对系统根据动能定理$Fl_{0}= \dfrac{1}{2} \times 4m{v_{0}}^{2}-\dfrac{1}{2}m{v_{0}}^{2}$

对全过程,根据动量定理$Ft_{2}=4mv_{0} − mv_{0}$

联立解得$t_{2}=\dfrac{2l_{0}}{v_{0}}$

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