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右图是一个非常有趣的实验现象的示意图.将一个小皮球放在一个大皮球的上面,使它们一起自由下落,当它们落到地面被反弹时,小球跳的高度会比下落的高度高出许多倍,往往会打到天花板上.假设大球的半径R=10cm,小球的半径r=2.5cm.开始下落时大球球心O1距地面的高度h=0.90m,大球的质量为m1,小球的质量为m2,且m1=19m2.在整个运动过程中两球的球心始终在同一条竖直线上,所有碰撞的时间极短,且能量损失均可忽略不计,重力加速度g取10m/s2.求:

(1)小球第一次反弹后,小球的球心会上升到距地面多高的位置?
(2)若天花板距地面的高度H=4.25m,则小球碰到天花板的瞬时速度为多大?
人气:446 ℃ 时间:2020-06-12 07:57:00
解答
(1)设大球碰地瞬间两球的速度为v0,则有
v20
=2g(h-R)
解得,v0=4m/s
因碰撞的时间极短,且能量损失不计,所以大球碰地后以原速率反弹,速度大小为4m/s,方向竖直向上.设大球与小球碰撞后两者的速度分别为v1和v2,取向上方向为正方向,根据动量守恒和机械能守恒得
   (m1-m2)v0=m1v1+m2v2
  
1
2
m1
v20
+
1
2
m2
v20
=
1
2
m1
v21
+
1
2
m2
v22

解得v2=11.2m/s
则小球能上升的最大高度为H1=
v22
2g
=6.272m
所以小球的球心会上升到距地面的高度为H2=H1+2R+r=≈6.5m
(2)若天花板距地面的高度H=4.25m,小球上升的高度为h′=H-2R-2r=4m
设小球碰到天花板的瞬时速度为v
由运动学公式得:v2
v22
=−2gh′

解得v=6.7m/s
(1)小球第一次反弹后,小球的球心会上升到距地面6.5m高的位置.
(2)若天花板距地面的高度H=4.25m,则小球碰到天花板的瞬时速度为6.7m/s.
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