Question

如图所示的凹形场地，两端是半径为L=1m的光滑1/4圆弧面，中间长为2L的粗糙水平面．质量为3m的滑块乙开始停在水平面的中点O处，质量为m的滑块甲从光滑圆弧面顶端A处无初速度滑下，进入水平面内与乙发生碰撞，碰后甲以碰前一半的速度反弹．已知甲、乙与水平面的动摩擦因数分别为μ₁=0.2、μ₂=0.1，甲、乙的体积大小忽略不计．g=10m/s²．求：
（1）甲与乙碰撞前的速度．
（2）碰后瞬间乙的速度．
（3）甲、乙在O处发生碰撞后，请判断能否发生第二次碰撞？并通过计算确定甲、乙最后停止所在的位置．

Answer 1

分析：（1）甲从下滑到与乙碰撞前，重力和摩擦力做功，根据动能定理求解甲与乙碰撞前的速度；
（2）甲乙碰撞过程，系统的动量守恒，根据动量守恒定律求出碰撞后乙的速度；
（3）根据动能定理分别对两个滑块列式，求出它们到停止运动前在BC滑行的路程，确定最终停止运动的位置，即可进行判断．或根据牛顿第二定律和运动学公式求出甲乙两物体碰撞后在水平地面上通过的路程之比．由题，甲、乙刚好不再发生第二次碰撞，所以甲、乙在同一地点停下，有以下两种情况：第一种情况：甲返回时未到达B点时就已经停下，分析能否发生；第二种情况：甲、乙分别通过B、C冲上圆弧面后，返回水平面后相向运动停在同一地点，所以有s₁+s₂=8L．求出s₁或s₂，即可求出甲、乙停在距B点距离．

解答：解：（1）设甲到达O处与乙碰撞前的速度为v_甲，由动能定理：
  mgL-μ₁mgL=

1

2

m

v

2 甲

得：v_甲=

2gL(1-μ1)

=

2×10×1×(1-0.2)

=4m/s
（2）设碰撞后甲、乙的速度分别为v_甲′、v_乙′，由动量守恒：
  m_甲v_甲=m_甲v_甲′+m_乙v_乙′
又：v_甲′=-

1

2

v_甲
得：v_乙′=2m/s
（3）设碰撞后两个滑块在BC滑行的路程分别为S_甲和S_甲时停止运动．根据动能定理得：
对甲：-μ₁mgS_甲=-

1

2

m

v

′2 甲

解得：S_甲=1m，甲停在B点，
对乙：-μ₂3mgS_乙=-

1

2

3m

v

′2 乙

解得：S_乙=2m，乙滑上圆弧面再滑下最后停在O点，与甲不能再次相碰．
答：（1）甲与乙碰撞前的速度为．
（2）碰后瞬间乙的速度为．
（3）甲、乙在O处发生碰撞后，不能发生第二次碰撞，甲停在B点，乙滑上圆弧面再滑下最后停在O点，

点评：本题前2问是常规问题，根据动能定理求速度、根据碰撞的基本规律：动量守恒定律求解碰撞乙的速度．第3问考查分析物体运动过程的能力．