当前位置：首页 > 第23届全国中学生物理竞赛复赛题参考解答及评分标准
2．讨论碰撞后各小球的运动
5M?6mv0
5M?6m10MvB?v0
5M?6m2MvD??v0
5M?6mvA?（7） （8） （9）
碰撞后，由于B、C、D三小球组成的系统不受外力作用，其质心的速度不变，故小球C将以（6）式的速度即vC?4Mv0沿v0方向作匀速运动．由（4）、（8）、（9）式可知，碰撞后，B、D两小球
5M?6mvB?vC6Mv0 ?l5M?6ml将绕小球C作匀角速度转动，角速度的大小为
??（10）
方向为逆时针方向．由（7）式可知，碰后小球A的速度的大小和方向与M、m的大小有关，下面就M、m取值不同而导致运动情形的不同进行讨论：
（i）vA=0，即碰撞后小球A停住，由（7）式可知发生这种运动的条件是 即
5M?6m?0
M6? m5（ii）vA<0，即碰撞后小球A反方向运动，根据（7）式，发生这种运动的条件是
（11）
M6? m5（12）
（iii）vA>0但vA?vC，即碰撞后小球A 沿v0方向作匀速直线运动，但其速度小于小球C的速度．由（7）式和（6）式，可知发生这种运动的条件是 即
5M?6m?0和4M?5M?6m
（13）
6m?M?6m 5（iv）vA?vC，即碰撞后小球A仍沿v0方向运动，且其速度大于小球C的速度，发生这种运动的条件是
M?6m
（14） （15）
（v）vA?vC，即碰撞后小球A 和小球C以相同的速度一起沿v0方向运动，发生这种运动的条件是
M?6m
在这种情形下，由于小球B、D绕小球C作圆周运动，当细杆转过180时，小球D 将从小球A的后面与小球A相遇，而发生第二次碰撞，碰后小球A继续沿v0方向运动．根据质心运动定理，C球的速度要减小，碰后再也不可能发生第三次碰撞．这两次碰撞的时间间隔是
t?π???5M?6m?πl?πl
6Mv0v0（16）
从第一次碰撞到第二次碰撞，小球C走过的路程
d?vCt?2πl 3（17）
3．求第二次碰撞后，小球A、B、C、D的速度
刚要发生第二次碰撞时，细杆已转过180，这时，小球B的速度为vD，小球D的速度为vB．在第二次碰撞过程中，质点组的动量守恒，角动量守恒和能量守恒．设第二次刚碰撞后小球A、B、C、D的速度分别
???为v?A、vB、vC和vD，并假定它们的方向都与v0的方向相同．注意到（1）、（2）、（3）式可得
由杆的刚性条件有
?Mv0?Mv?A?3mvC ??2mlvB? 0?mlvC（18） （19）
（20）
111112222?2+mv??Mv0?MvA?mv?mv?BCD
22222???v ? v?D?vC?vCB （21）
（19）式的角动量参考点设在刚要发生第二次碰撞时与D球重合的空间点．
把（18）、（19）、（20）、（21）式与（1）、（2）、（3）、（4）式对比，可以看到它们除了小球B 和D互换之外是完全相同的．因此它们也有两个解
??0 vC和
（22） （23）
??vC4Mv0
5M?6m对于由B、C、D 三小球组成的系统，在受到A球的作用后，其质心的速度不可能保持不变，而（23）式是第二次碰撞未发生时质心的速度，不合理，应该舍去．取（22）式时，可解得
v?A?v0
v?B?0 v?D?0
（24） （25） （26）
（22）、（24）、（25）、（26）式表明第二次碰撞后，小球A以速度v0作匀速直线运动，即恢复到第一次碰撞前的运动，但已位于杆的前方，细杆和小球B、C、D则处于静止状态，即恢复到第一次碰撞前的运动状态，但都向前移动了一段距离d?2πl，而且小球D和B换了位置． 3
评分标准：
本题25分．
三、参考解答：
由
p pV??k， ??1 （1）
可知，当V增大时，p将随之减小（当V减小时，p将随之增大），在p?V图上所对应的曲线（过状态A）大致如图所示．在曲线上取体积与状态B的体积相同的状态C．
现在设想气体从状态A出发，保持叶片不动，而令活塞缓慢地向右移动，使气体膨胀，由状态A到达状态C，在此过程中，外界对气体做功
0 C V
A B W?k?11? ????1??1???1?VCVA?（2）
用UA、UC分别表示气体处于状态A、C时的内能，因为是绝热过程，所以内能的增量等于外界对气体做的功，即
UC?UA?k?11? ????1??1???1?VCVA?（3）
再设想气体处于状态C时，保持其体积不变，即保持活塞不动，令叶片以角速度??做匀速转动，这样叶片就要克服气体阻力而做功，因为缸壁及活塞都是绝热的，题设缸内其它物体热容量不计，活塞又不动（即活塞不做功），所以此功完全用来增加气体的内能．因为气体体积不变，所以它的温度和压强都会升高，最后令它到达状态B．在这过程中叶片转动的时间用?t表示，则在气体的状态从C到B的过程中，叶片克服气体阻力做功
W??L??t （4）
令UB表示气体处于状态B时的内能，由热力学第一定律得
由题知
由（4）、（5）、（6）式得
（7）式加（3）式，得
UB?UC?L??t
（5）
?p??1?L?? ?tVVB?p?pC? ??1B（6）
UB?UC?（7）
UB?UA?VBk?11? ??pB?pC?????1??1???1??1?VCVA?（8）
利用pV??k和VC?VB得
UB?UA?1?pBVB?pAVA? ??1（9）
评分标准：
本题23分．
四、参考解答：
答案：uD如图1所示，uB如图2 所示．
uD U 0
－U
uB
U 0
?U
tT 2T 图1 tT 2T 图2
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