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在光滑绝缘的水平面上,存在平行于水平面向右的匀强电场,电场强度为E.水平面上放置两个静止的小球彳和B(均可看作质点),两小球质量均为m,A球带电荷量为+q,B球不带电,A、B连线与电场线平行.开始时两球相距L,在电场力作用下,A球开始运动(此时为计时零点,即t=0),后与B球发生对心碰撞,碰撞过程中A、B两球总动能无损失.设在各次碰撞过程中,A、B两球间无电量转移,且不考虑两球碰撞时间及两球间的万有引力.求:
(1)第一次碰撞结束瞬间A、B两球的速度各为多大?
(2)从计时零点到即将发生第三次碰撞这段过程中,共经过多长时间?
(3)从计时零点到即将发生第n次碰撞这段过程中,小球A经过的位移大小为多少?
分析:(1)根据牛顿第二定律求出A球的加速度,由速度位移公式求出A球与B球碰撞前的速度.由于碰撞过程中A、B两球总动能无损失,交换速度.
(2)根据速度公式求出第一次碰撞时间.第一次碰后,A球追及B球,当位移相等时,发生第二碰撞,由位移相等求出第二次碰撞时间.同理求解第三次碰撞时间.
(3)采用归纳法分别分析从计时零点到即将发生第1次碰撞这段过程、第1次碰撞到即将发生第2次碰撞这段过程、从第2次碰撞到即将发生第3次碰撞这段过程…A球经过的位移,得出规律,再求总位移.
解答:解:(1)A球的加速度为a=
qE
m

碰前A的速度为vA1=
2aL
=
2qEL
m
,碰前B的速度为vB1=0由于碰撞过程中A、B两球总动能无损失,交换速度,则碰撞后A、B的速度分别
   vA1′=0,vB1′=vA1=
2qEL
m

(2)A、B球发生第一次、第二次、第三次的碰撞时间分别为t1、t2、t3
则t1=
vA1-0
a
=
2mL
qE

第一次碰后,经t2-t1时间A、B两球发生第二次碰撞,设碰前瞬间A、B两球速度为vA2和vB2,则有
   vB1′(t2-t1)=
1
2
a(t2-t1)2

解得,t2=3t1
   vA2=a(t2-t1)=2at1=2vA1=2
2qEL
m

  vB2=vB1′=
2qEL
m

第二次碰后瞬间,A、B两球速度分别为
vA2′和vB2′,经t3-t2时间A、B两球发生碰撞,并设碰撞前瞬间A、B两球速度分别vA3和vB3
则vA2′=vB2=
2qEL
m

vB2′=vA2=2
2qEL
m

当vB2′(t3-t2)=vA2′(t3-t2)+
1
2
a(t3-t2)2发生第三次碰撞
解得,t3-t2=t2-t1,t3=5
2qEL
m

(3)从计时零点到即将发生第1次碰撞这段过程中,小球A经过的位移为S1=L,由(2)分析知,每次碰撞后A、B小球交换速度,通过运算可知,
从第1次碰撞到即将发生第2次碰撞这段过程中,A球经过的位移为S2=4L,
从第2次碰撞到即将发生第3次碰撞这段过程中,A球经过的位移为S3=8L,

从第(n-1)次碰撞到即将发生第n次碰撞这段过程中,A球经过的位移为Sn=(n-1)4L,
所以,从计时零点到即将发生第n次碰撞这段过程中,小球A经过的位移大小为
S=S1+S2+S3+…+Sn=L+4L+8L…+(n-1)4L=【1+2n(n-1)】L
答:
(1)第一次碰撞结束瞬间A、B两球的速度分别为0和
2qEL
m

(2)从计时零点到即将发生第三次碰撞这段过程中,共经过5
2qEL
m
时间.
(3)从计时零点到即将发生第n次碰撞这段过程中,小球A经过的位移大小为【1+2n(n-1)】L.
点评:本题是小球周期性运动问题,关键要采用归纳法总结规律,运用数学方法求解.
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