Question

(2007年重慶卷)某興趣小組設計了一種實驗裝置，用來研究碰撞問題，其模型如圖所示，用完全相同的輕繩將N個大小相同、質量不等的小球并列懸掛于一水平桿，球間有微小間隔，從左到右，球的編號依次為1、2、3、…、N，球的質量依次遞減，每個球的質量與其相鄰左球質量之比為k(k＜1)，將1號球向左拉起，然后由靜止釋放，使其與2號球碰撞，2號球再與3號球碰撞，……，所有碰撞皆為無機械能損失的正碰．(不計空氣阻力，忽略繩的伸長，g取)

(1)設與n+1號球碰撞前，n號球的速度為，求n+1號球碰撞后的速度．

(2)若N=5，在1號球向左拉高h的情況下，要使5號球碰撞后升高16h(16h小于繩長)，問k值為多少?

(3)在第(2)問的條件下，懸掛哪個球的繩最容易斷，為什么?

Answer 1

答案：略
解析：

解析：(1)設n號球質量為，n+1號球質量為，碰撞后的速度分別為、，取水平向右為正方向，據題意有n號球與n+1號球碰撞前的速度分別為、0，且． 根據動量守恒，有．① 根據機械能守恒，有．② 由①、②得． 設n+1號球與n+2號球碰前的速度為． 據題意有． ．③ (2)設1號球擺至最低點時的速度為，由機械能守恒定律有 ．④ ．⑤ 同理可求，5號球碰后瞬間的速度 ．⑥ 由③式得．⑦ N=n+1=5時，．⑧ 由⑤⑥⑧三式得 ⑨ (3)設繩長為l，每個球在最低點時，細繩對球的拉力為F，由牛頓第二定律有 ．⑩ 則． 式中為n號球在最低點的功能． 由題意知1號球的重力最大，又由機械能守恒可知1號球在最低點碰前的動能也最大，根據式可判斷在1號球碰前瞬間懸掛1號球細繩的張力最大，故懸掛1號球的繩最容易斷．