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第一部分:动能、动量守恒
如图所示(图1),
图一图1
在一个水平光滑的平面上,有质量为m和质量为m的两个物体以v和v的速度运动(m₁,m₂是一个定值),那么我们就可以知道这两个物体的总动能是EK = m v+m v,总动量是P = m v+m v,如果把这两个方程放到平面直角坐标系中,那么我们就可以得到一个椭圆和一条直线。为了引入π,
图二图二
放在平面直角坐标系中就可以得到(图3)。
图三图3
方程的斜率k =-√(米/米)。容易知道,因为动量和动能必须同时满足“守恒”条件,所以物体的运动状态只能是图中的A点或B点。当物体在A点运动并发生碰撞时,运动状态会变为B点,反之亦然。
第二部分:物块撞击分析
如图所示(图4),
图四图4
质量为m的物体撞击质量为m₁>的静止物体a速度为v (m >: M),质量为m的物体称为a,质量为m的物体称为b,两个物体会继续运动,直到两个物体都向右运动,此时a的速度大于此时b的速度。计算两个物体互相撞击的次数和B撞击墙壁的次数。起初B的速度为0,那么此时y=0,运动状态为如图所示的A点(图5)。
图五图5
第一次撞击后,两个物体的运动状态变成了B点,然后,B会与墙壁发生碰撞。此时由于速度为矢量,物体B弹跳,速度不变,方向相反,所以V取反数,V不变,于是运动状态变为关于X轴对称于B的点C(图6)。
图六图6
那么,当A再次与B碰撞时,会因为斜率没有变化而碰撞到D点。同样,再做对称点。如图7所示,经过几轮这样的操作后,
图七图7
当直线和圆只有一个交点时,碰撞结束。
第三部分:求出物块撞击次数
如图所示(图8),
图八图8
点A是圆的切线,所以∠EAB=β。tan(π/2-β)=cotβ=k由斜率定义,弦AB对着的角由正切角定理等于2β,弧AB=2βr由弧系定义。同理,弧AC=弧BD=2βr,最后一个弧由于切角≤β(如果大于,应该有可能碰撞)还能碰撞,那么最后一个弧
第四部分:撞击次数L与π的值的关系
β→0时,有COT β≈ 1/β = k =-√ (m/m)(余切函数的图像),所以π/β-1 ≤ L < π/β可推导为π×√ (m/m)-1 ≤ L < π×√ (m/m)。这时,如果√ (m/m)是10的倍数,那么L就是π×是10的倍数的整数部分。
(秋金枪鱼-Day21来自《秋金枪鱼》的《鱼像森林》)
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