由式(1)、(2)可得
x0?mm?v
k?m?m??3 -30 质量为m 的弹丸A,穿过如图所示的摆锤B 后,速率由v 减少到v /2．已知摆锤的质量为m′,摆线长度为l,如果摆锤能在垂直平面内完成一个完全的圆周运动,弹丸速度v的最小值应为多少？
分析 该题可分两个过程分析．首先是弹丸穿越摆锤的过程．就弹丸与摆锤所组成的系统而言,由于穿越过程的时间很短,重力和的张力在水平方向的冲量远小于冲击力的冲量,因此,可认为系统在水平方向不受外力的冲量作用,系统在该方向上满足动量守恒．摆锤在碰撞中获得了一定的速度,因而具有一定的动能,为使摆锤能在垂直平面内作圆周运动,必须使摆锤在最高点处有确定的速率,该速率可由其本身的重力提供圆周运动所需的向心力来确定；与此同时,摆锤在作圆周运动过程中,摆锤与地球组成的系统满足机械能守恒定律,根据两守恒定律即可解出结果．
解 由水平方向的动量守恒定律,有
mv?mv?m?v? (1) 2为使摆锤恰好能在垂直平面内作圆周运动,在最高点时,摆线中的张力FＴ＝0,则
2m?v?hm?g? (2)
l式中v′h 为摆锤在圆周最高点的运动速率．
又摆锤在垂直平面内作圆周运动的过程中,满足机械能守恒定律,故有
112m?v??2m?gl?m?v?h (3) 22解上述三个方程,可得弹丸所需速率的最小值为
v?2m?
m5gl3 -31 一个电子和一个原来静止的氢原子发生对心弹性碰撞．试问电子的动能中传递给氢原子的能量的百分数．(已知氢原子质量约为电子质量的1 840倍)
分析 对于粒子的对心弹性碰撞问题,同样可利用系统(电子和氢原子)在碰撞过程中所遵循的动量守恒和机械能守恒来解决．本题所求电子传递给氢原子的能量的百分数,即氢原子动能与电子动能之比EH/Ee．根据动能的
22定义,有EH/Ee?m?vH,而氢原子与电子的质量比m′/m 是已知的,它们/mve的速率比可应用上述两守恒定律求得, EH/Ee 即可求出．
解 以EH 表示氢原子被碰撞后的动能, Ee 表示电子的初动能,则
122m?vHEH2m??vH?? (1) ?????1Eem?ve?2m?ve2由于粒子作对心弹性碰撞,在碰撞过程中系统同时满足动量守恒和机械能守恒定律,故有
mve?m?vH?mv?e (2) 121122mve?m?vH?mv?e (3) 222由题意知m′/m＝1 840,解上述三式可得
EHm??vH??2m??3????1840???2.2?10 ??Eem?ve??m??m?3 -32 质量为7.2 ×10 -23 kg,速率为6.0 ×107 m·s-1 的粒子A,与另一个质量为其一半而静止的粒子B 发生二维完全弹性碰撞,碰撞后粒子A 的速率为5.0 ×107 m·s-1．求：(1) 粒子B 的速率及相对粒子A 原来速度方向的偏转角；(2) 粒子A 的偏转角．
22
分析 这是粒子系统的二维弹性碰撞问题．这类问题通常采用守恒定律来解决．因为粒子系统在碰撞的平面内不受外力作用,同时,碰撞又是完全弹性的,故系统同时满足动量守恒和机械能守恒．由两守恒定律方程即可解得结果．
解 取如图所示的坐标,由于粒子系统属于斜碰,在碰撞平面内根据系统动量守恒定律可取两个分量式,有
1mmvA?vBcosβ?mv?Acosα (1) 22m0?vBsinβ?mv?Asinα (2)
2又由机械能守恒定律,有
121?m?212mvA???vB?v?A (3) 22?2?2解式(1)、(2)、(3)可得碰撞后B 粒子的速率为
7?1?2vB?2v2A?vA?4.69?10m?s
??各粒子相对原粒子方向的偏角分别为
?23vv2A?3vAα?arccos?22o20? β?arccosB?54o6?
4vA4vAv?A3 -33 如图所示,一质量为m′的物块放置在斜面的最底端A 处,斜面的倾角为α,高度为h,物块与斜面的动摩擦因数为μ,今有一质量为m 的子弹以速度v0 沿水平方向射入物块并留在其中,且使物块沿斜面向上滑动．求物块滑出顶端时的速度大小．
分析 该题可分两个阶段来讨论,首先是子弹和物块的撞击过程,然后是物块(包含子弹)沿斜面向上的滑动过程．在撞击过程中,对物块和子弹组成的系统而言,由于撞击前后的总动量明显是不同的,因此,撞击过程中动量
不守恒．应该注意,不是任何碰撞过程中动量都是守恒的．但是,若取沿斜面的方向,因撞击力(属于内力)远大于子弹的重力P1 和物块的重力P2 在斜面的方向上的分力以及物块所受的摩擦力Fｆ ,在该方向上动量守恒,由此可得到物块被撞击后的速度．在物块沿斜面上滑的过程中,为解题方便,可重新选择系统(即取子弹、物块和地球为系统),此系统不受外力作用,而非保守内力中仅摩擦力作功,根据系统的功能原理,可解得最终的结果．
解 在子弹与物块的撞击过程中,在沿斜面的方向上,根据动量守恒有
mv0cosα??m?m??v1 (1)
在物块上滑的过程中,若令物块刚滑出斜面顶端时的速度为v2 ,并取A 点的重力势能为零．由系统的功能原理可得
?μ?m?m??gcosα?由式(1)、(2)可得
h sinα1?m?m??v22??m?m??gh?1?m?m??v12 (2) 222?m?v2??v0cosα??2gh?μcotα?1?
?m?m??3 -34 如图所示,一个质量为m 的小球,从内壁为半球形的容器边缘点A滑下．设容器质量为m′,半径为R,内壁光滑,并放置在摩擦可以忽略的水平桌面上．开始时小球和容器都处于静止状态．当小球沿内壁滑到容器底部的点B时,受到向上的支持力为多大？
