Question

荷蘭科學(xué)家惠更斯在研究物體碰撞問題時做出了突出的貢獻(xiàn)．惠更斯所做的碰撞實(shí)驗(yàn)可簡化為：三個質(zhì)量分別為m₁，m₂，m₃ 的小球，半徑相同，并排懸掛在長度均為L的三根平行繩子上，彼此相互接觸．現(xiàn)把質(zhì)量為m₁的小球拉開，上升到H高處釋放，如圖所示，已知各球間碰撞時同時滿足動量守恒定律和機(jī)械能守恒定律，且碰撞時間極短，H遠(yuǎn)小于L，不計空氣阻力．
（1）若三個球的質(zhì)量相同，則發(fā)生碰撞的兩球速度交換，試求此時系統(tǒng)的運(yùn)動周期．
（2）若三個球的質(zhì)量不同，要使球1與球2、球2與球3相碰之后，三個球具有同樣的動量，則m₁：m₂：m₃應(yīng)為多少？

Answer 1

分析：（1）球1與球2、球2與球3碰撞后速度互換，各球間碰撞時同時滿足動量守恒定律和機(jī)械能守恒定律，根據(jù)單擺周期公式求解
（2）對于球1與球2碰撞，對于球2與球3碰撞，根據(jù)機(jī)械能守恒定律列出等式求解質(zhì)量之比．

解答：解：（1）球1與球2、球2與球3碰撞后速度互換，球3以球1碰球2前瞬間的速度開始上升到H高處，然后再擺回來與球2、球2與球1碰撞，使球1上升到H高處，此后，系統(tǒng)做到周期性運(yùn)動，則T1=T3=2π

L g

，T=

1

2

(T1+T3)
由此可知系統(tǒng)的運(yùn)動周期為：T=2π

L g

（2）由題意知三球碰后的動量均相同，設(shè)為p，則Ek=

p2

2m

，
球2在與球3碰前具有動量2p，根據(jù)機(jī)械能守恒定律，對于球2與球3碰撞的情況應(yīng)有：

(2p)2

2m2

=

p2

2m1

+

(2p)2

2m2

由此得：m₂：m₃=3：1
球1與球2碰前的動量為3p，根據(jù)機(jī)械能守恒定律有：

(3p)2

2m1

=

p2

2m1

+

(2p)2

2m2

由此得：m₁：m₂=2：1
從而可得：m₁：m₂：m₃=6：3：1
答：
（1）若三個球的質(zhì)量相同，則發(fā)生碰撞的兩球速度交換，此時系統(tǒng)的運(yùn)動周期是2π

L g

．
（2）若三個球的質(zhì)量不同，要使球1與球2、球2與球3相碰之后，三個球具有同樣的動量，則m₁：m₂：m₃應(yīng)為6：3：1．

點(diǎn)評：本題要注意靈活設(shè)出中間量p，從而得出正確的表達(dá)式，再由選擇得出正確的條件．