Question

用同種材料制成的質(zhì)量均為M=1kg的形狀不同的滑塊n個靜止在光滑水平面上，編號依次為1、2、3…．質(zhì)量為m=0.1kg的子彈（視為質(zhì)點(diǎn)）以水平初速度v₀=200m/s依次擊穿這些滑塊后最終保留在第n個滑塊中．要求子彈穿過每個滑塊的時間都相等，子彈在兩滑塊間勻速運(yùn)動的時間也相等且等于子彈穿過一塊滑塊的時間，這必然導(dǎo)致每個滑塊長度不同，滑塊間的間距也不同．子彈穿過滑塊時受到的水平阻力f=150N并保持恒定．測得子彈穿過編號為1的滑塊后滑塊的速度變?yōu)関=1.5m/s．不考慮子彈在豎直方向上的受力和運(yùn)動．（滑塊不翻轉(zhuǎn)，不計空氣阻力）

（1）求n

（2）用計算說明子彈剛穿過第N（N＜n）塊滑塊時，第N﹣1塊滑塊沒有追上第N塊滑塊

（3）易知第n塊滑塊與子彈相對靜止后，第n﹣1塊滑塊會追上第n塊滑塊，然后發(fā)生碰撞，已知滑塊間的碰撞為彈性碰撞，求滑塊間碰撞的總次數(shù)（用字母A表示）．要求有必要的計算過程和文字說明．

Answer 1

【考點(diǎn)】： 動量守恒定律；勻變速直線運(yùn)動的位移與時間的關(guān)系．

【專題】：動量定理應(yīng)用專題．

【分析】：分析子彈擊穿第一塊滑塊的過程，運(yùn)用動量守恒定律求解．

第N塊剛被擊穿時是否被N﹣1塊追上，取決于二者靜止時的間距d_N﹣1是否小于子彈剛接觸N﹣1到剛擊穿N的過程N(yùn)﹣1比N多走的位移，分析子彈的運(yùn)動過程，運(yùn)用運(yùn)動學(xué)公式求解比較．子彈打穿前13塊后，1到13各塊的速度均為v，根據(jù)系統(tǒng)動量守恒定律和機(jī)械能守恒列車等式求解．

【解析】： 解：（1）子彈擊穿第一塊滑塊的過程，規(guī)定向右為正方向，根據(jù)動量守恒定律得

mv₀=mv₁+Mv

得v₁=185m/s

由于子彈穿過每個滑塊的時間相等、受到的阻力也相等，所以速度的減少量相等

△v=v₀﹣v₁=15m/s

n=v₀/△v=40/3，取n=14

（2）第N塊剛被擊穿時是否被N﹣1塊追上，取決于二者靜止時的間距d_N﹣1是否小于子彈剛接觸N﹣1到剛擊穿N的過程N(yùn)﹣1比N多走的位移．

子彈穿過一塊滑塊的時間或在兩滑塊間勻速運(yùn)動的時間t==0.01s

子彈擊穿第N﹣1塊的過程中第N﹣1塊的位移：S_N﹣1=t=0.075m

子彈擊穿N﹣1后勻速飛行的位移S′_N﹣1=[v₀﹣（N﹣1）△v]t=2﹣0.15（N﹣1）m

靜止時N﹣1與N的距離d_N﹣1=S_N﹣1+S′_N﹣1=2.075﹣0.15（N﹣1）m

當(dāng)N=13時，d_N﹣1取最小值是0.275m．

從子彈剛接觸N﹣1到剛擊穿N的過程N(yùn)﹣1比N多走的位移，如圖：

△S=vt=0.015m，

（d_N﹣1）_min＞△S，所以沒有追上．

（3）子彈打穿前13塊后，1到13各塊的速度均為v，子彈與第14塊相對靜止時共同速度為v_共＜v，13將追上14發(fā)生碰撞，對碰撞有

Mv+（M+m）v_共=Mv′+（M+m）v′_共

Mv²+（M+m）=Mv′²+（M+m）

得v′=v_共﹣ ①

v′_共=v﹣ ②

因v′＜v所以12會追上13發(fā)生碰撞并交換速度，然后11與12、10與11…1與2碰撞并交換速度，這一輪碰撞會發(fā)生13次．這一輪碰撞完時，1的速度為v´，2到13的速度為v，14的速度為v´_共．

由②知v´_共＜v所以13會再次追上14發(fā)生碰撞．碰后14的速度大于v´_共但小于v，13的速度由①知大于v´．然后12與13、11與12…2與3交換速度，2與3交換速度后2的速度大于v´，1的速度小于2的速度，所以這一輪碰撞1號塊不參與，本輪碰撞共發(fā)生12次．

由以上分析知，碰撞一共會發(fā)生13輪，每輪碰撞的次數(shù)分別為13、12、11…1，所以總碰撞次數(shù)為

A==91次．

答：（1）n=14；

（2）（d_N﹣1）_min＞△S，所以沒有追上；

（3）滑塊間碰撞的總次數(shù)是91次．

【點(diǎn)評】：本題考查了求子彈、木塊速度問題，分析清楚運(yùn)動過程、正確選擇研究對象與運(yùn)動過程是解題的前提與關(guān)鍵，應(yīng)用動量守恒定律即可正確解題；解題時要注意正方向的選擇．