题目
质量为M的木块静止在光滑的水平面上.质量为m、速率为v的子弹沿水平方向打入木块并陷在其中,试计算相对于地面木块对子弹所作的功W1及子弹对木块所作的功W2.
质量为M的木块静止在光滑的水平面上.质量为m、速率为v的子弹沿水平方向打入木块并陷在其中,试计算相对于地面木块对子弹所作的功W1及子弹对木块所作的功W2.
题目解答
答案
木块对子弹作的功 

子弹对木块作的功 

解析
考查要点:本题主要考查动量守恒定律和动能定理的应用,以及作用力与反作用力做功的关系。
解题核心思路:
- 动量守恒:由于水平面光滑,系统(木块+子弹)在水平方向不受外力,碰撞前后总动量守恒。
- 动能定理:分别对子弹和木块应用动能定理,计算它们的动能变化,从而得到木块对子弹和子弹对木块所做的功。
破题关键点:
- 碰撞后共同速度:通过动量守恒求出碰撞后的共同速度$V$。
- 动能变化与功的关系:木块对子弹的功等于子弹动能的减少量,子弹对木块的功等于木块动能的增加量。
1. 碰撞后共同速度的计算
根据动量守恒定律,碰撞前后系统总动量相等:
$mv = (M + m)V \implies V = \frac{mv}{M + m}$
2. 木块对子弹做的功$W_1$
对子弹应用动能定理,其动能变化为:
$W_1 = \Delta E_{\text{子弹}} = \frac{1}{2}mV^2 - \frac{1}{2}mv^2$
将$V = \frac{mv}{M + m}$代入:
$W_1 = \frac{1}{2}m \left( \frac{m^2v^2}{(M + m)^2} - v^2 \right) = -\frac{Mm(M + 2m)}{2(M + m)^2}v^2$
3. 子弹对木块做的功$W_2$
对木块应用动能定理,其动能变化为:
$W_2 = \Delta E_{\text{木块}} = \frac{1}{2}MV^2 - 0$
将$V = \frac{mv}{M + m}$代入:
$W_2 = \frac{1}{2}M \left( \frac{m^2v^2}{(M + m)^2} \right) = \frac{Mm^2}{2(M + m)^2}v^2$