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題目:
【高三物理】一質量為m的小球從高度為H處自由下落,與地面發生彈性碰撞后反彈的高度為h,求碰撞過程中地面對小球的沖量大小。
【分析】
1. 小球自由下落,碰撞地面后反彈,整個過程中小球受到重力和地面的彈力作用。
2. 碰撞過程中地面的彈力沖量垂直地面,而重力的沖量垂直于小球的運動方向,因此碰撞過程中地面的沖量與重力沖量大小相等,方向相反。
【解答】
根據動量定理,碰撞過程中地面對小球的沖量大小為:
I = (mg - F)t
其中,m為小球質量,g為重力加速度,F為地面的彈力大小,t為碰撞時間。
由于小球在碰撞過程中只受到重力和地面的彈力作用,因此碰撞時間極短。根據自由落體運動規律,小球自由下落的高度為H,則下落時間:
t1 = sqrt(2H/g)
小球反彈的高度為h,則反彈時間:
t2 = sqrt(2h/g)
由于碰撞時間極短,因此可以近似認為t = t1 = t2。
由于小球在碰撞過程中只受到地面的彈力作用,因此地面的彈力大小等于小球反彈時的加速度乘以反彈時間:
F = ma = mg - F'
其中F'為地面對小球的彈力。由于碰撞過程中小球受到的彈力方向與運動方向垂直,因此彈力的大小可以忽略不計。
將上述數據代入動量定理公式中,可得:
I = (mg - F)t = (mg - mg)sqrt(2H/g) = sqrt(2Hg) m/s
所以,碰撞過程中地面對小球的沖量大小為sqrt(2Hg) m/s。