
?高三物理一輪復(fù)習(xí)多維度導(dǎo)學(xué)與分層專練
專題37 動(dòng)量守恒定律、在碰撞問(wèn)題中應(yīng)用動(dòng)量守恒定律
導(dǎo)練目標(biāo)
導(dǎo)練內(nèi)容
目標(biāo)1
動(dòng)量守恒定律內(nèi)容、條件、四性
目標(biāo)2
彈性碰撞
目標(biāo)3
非彈性碰撞和完全非彈性碰撞
目標(biāo)4
類碰撞模型
【知識(shí)導(dǎo)學(xué)與典例導(dǎo)練】
一、 動(dòng)量守恒定律內(nèi)容、條件、四性
1. 動(dòng)量守恒定律內(nèi)容及條件
(1)內(nèi)容:如果系統(tǒng)不受外力,或者所受外力的合力為零,這個(gè)系統(tǒng)的總動(dòng)量保持不變。
(2)表達(dá)形式:m1v1+m2v2=m1v1′+m2v2′。
(3)常見的幾種守恒形式及成立條件:
①理想守恒:系統(tǒng)不受外力或所受外力的合力為零。
②近似守恒:系統(tǒng)所受外力雖不為零,但內(nèi)力遠(yuǎn)大于外力。
③分動(dòng)量守恒:系統(tǒng)所受外力雖不為零,但在某方向上合力為零,系統(tǒng)在該方向上動(dòng)量守恒。
2. 動(dòng)量守恒定律的“四性”
(1)矢量性:表達(dá)式中初、末動(dòng)量都是矢量,需要首先選取正方向,分清各物體初末動(dòng)量的正、負(fù)。
(2)瞬時(shí)性:動(dòng)量是狀態(tài)量,動(dòng)量守恒指對(duì)應(yīng)每一時(shí)刻的總動(dòng)量都和初時(shí)刻的總動(dòng)量相等。
(3)同一性:速度的大小跟參考系的選取有關(guān),應(yīng)用動(dòng)量守恒定律時(shí),各物體的速度必須是相對(duì)同一參考系的速度。一般選地面為參考系。
(4)普適性:動(dòng)量守恒定律不僅適用于兩個(gè)物體所組成的系統(tǒng),也適用于多個(gè)物體組成的系統(tǒng);不僅適用于宏觀物體組成的系統(tǒng),也適用于微觀粒子組成的系統(tǒng)。
【例1】A、B兩物體質(zhì)量之比mA∶mB=3∶2,原來(lái)靜止在平板小車C上,A、B間有一根被壓縮的彈簧,地面水平光滑。當(dāng)兩物體被同時(shí)釋放后,則( )
A.若A、B與平板車上表面間的動(dòng)摩擦因數(shù)相同,A、B組成系統(tǒng)的動(dòng)量守恒
B.若A、B與平板車上表面間的動(dòng)摩擦因數(shù)相同,A、B、C組成系統(tǒng)的動(dòng)量守恒
C.若A、B所受的摩擦力大小相等,A、B組成系統(tǒng)的動(dòng)量守恒
D.若A、B所受的摩擦力大小相等,A、B、C組成系統(tǒng)的動(dòng)量守恒
【答案】BCD
【詳解】A.若A、B與平板車上表面間的動(dòng)摩擦因數(shù)相同,由于A、B兩物體質(zhì)量之比為::2,由可知彈簧釋放時(shí),小車對(duì)A、B的滑動(dòng)摩擦力大小之比為3:2,所以A、B組成的系統(tǒng)合外力不等于零,系統(tǒng)的動(dòng)量不守恒,A錯(cuò)誤;
B.對(duì)于A、B、C組成的系統(tǒng),由于地面光滑,系統(tǒng)的合外力為零,則系統(tǒng)動(dòng)量守恒,B正確;
C.若A、B所受的摩擦力大小相等,方向又相反,所以A、B組成的系統(tǒng)合外力為零,A、B組成的系統(tǒng)動(dòng)量守恒,C正確;
D.對(duì)于A、B、C組成的系統(tǒng),系統(tǒng)的合外力為零,則系統(tǒng)動(dòng)量守恒,D正確。故選BCD。
二、 彈性碰撞
1.碰撞三原則:
(1)動(dòng)量守恒:即p1+p2=p1′+p2′.
(2)動(dòng)能不增加:即Ek1+Ek2≥Ek1′+Ek2′或+≥+.
(3)速度要合理
①若碰前兩物體同向運(yùn)動(dòng),則應(yīng)有v后>v前,碰后原來(lái)在前的物體速度一定增大,若碰后兩物體同向運(yùn)動(dòng),則應(yīng)有v前′≥v后′。
②碰前兩物體相向運(yùn)動(dòng),碰后兩物體的運(yùn)動(dòng)方向不可能都不改變。
2. “動(dòng)碰動(dòng)”彈性碰撞
v1
v2
v1’ˊ
v2’ˊ
m1
m2
發(fā)生彈性碰撞的兩個(gè)物體碰撞前后動(dòng)量守恒,動(dòng)能守恒,若兩物體質(zhì)量分別為m1和m2,碰前速度為v1,v2,碰后速度分別為v1ˊ,v2ˊ,則有:
(1) (2)
聯(lián)立(1)、(2)解得:
v1’=,v2’=.
特殊情況: 若m1=m2 ,v1ˊ= v2 ,v2ˊ= v1 .
3. “動(dòng)碰靜”彈性碰撞的結(jié)論
兩球發(fā)生彈性碰撞時(shí)應(yīng)滿足動(dòng)量守恒和機(jī)械能守恒。以質(zhì)量為m1、速度為v1的小球與質(zhì)量為m2的靜止小球發(fā)生正面彈性碰撞為例,則有m1v1=m1v1′+m2v2′ (1) m1v=m1v1′2+m2v2′2 (2)
解得:v1′=,v2′=
結(jié)論:(1)當(dāng)m1=m2時(shí),v1′=0,v2′=v1(質(zhì)量相等,速度交換)
(2)當(dāng)m1>m2時(shí),v1′>0,v2′>0,且v2′>v1′(大碰小,一起跑)
(3)當(dāng)m1<m2時(shí),v1′<0,v2′>0(小碰大,要反彈)
(4)當(dāng)m1?m2時(shí),v1′=v0,v2′=2v1(極大碰極小,大不變,小加倍)
(5)當(dāng)m1?m2時(shí),v1′=-v1,v2′=0(極小碰極大,小等速率反彈,大不變)
【例2】如圖所示,光滑水平面上有外形相同的A、B兩個(gè)物體均向左運(yùn)動(dòng),物體A的動(dòng)量p1=5kg·m/s,物體B的動(dòng)量p2=7kg·m/s,在物體A與物體B發(fā)生對(duì)心碰撞后物體B的動(dòng)量變?yōu)?0kg·m/s,則A、B兩個(gè)物體的質(zhì)量m1與m2間的關(guān)系可能是( )
A.m1=m2 B.m1=m2 C.m1=m2 D.m1=m2
【答案】C
【詳解】AB.兩個(gè)物體在碰撞過(guò)程中動(dòng)量守恒,所以有即由于在碰撞過(guò)程中,不可能有其他形式的能量轉(zhuǎn)化為機(jī)械能,只能是系統(tǒng)內(nèi)物體間機(jī)械能相互轉(zhuǎn)化或一部分機(jī)械能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能,因此系統(tǒng)的機(jī)械能不會(huì)增加,有;因?yàn)轭}目給出的物理情景是“物體A與物體B發(fā)生對(duì)心碰撞”,要符合這一物理情景,就必須有即同時(shí)還要符合碰撞后B物體的速度大于或等于A物體的速度這一物理情景,即所以故選C。
【例3】如圖所示,小球A、B均靜止在光滑水平面上,現(xiàn)給A球一個(gè)向右的初速度,之后與B球發(fā)生對(duì)心碰撞。關(guān)于碰撞后的情況,下列說(shuō)法正確的是( ?。?br />
A.碰后小球A、B一定共速
B.若A、B球發(fā)生完全非彈性碰撞,A球質(zhì)量等于B球質(zhì)量,則A球?qū)㈧o止
C.若A、B球發(fā)生彈性碰撞,A球質(zhì)量小于B球質(zhì)量,則無(wú)論A球初速度大小是多少,A球都將反彈
D.若A、B球發(fā)生彈性碰撞,A球質(zhì)量足夠大,B球質(zhì)量足夠小,則碰后B球的速度可以是A球的3倍
【答案】C
【詳解】A.小球A、B發(fā)生對(duì)心碰撞,有可能是完全彈性碰撞,完全非彈性碰撞,非彈性碰撞;若是完全非彈性碰撞,則AB兩小球具有共同速度,若不是,兩球速度不同,則A錯(cuò)誤;
B.若A、B球發(fā)生完全非彈性碰撞,AB碰后有共同速度,有動(dòng)量守恒可得解得
若A球質(zhì)量等于B球質(zhì)量,則故B錯(cuò)誤;
CD.小球A、B發(fā)生對(duì)心碰撞,若是完全彈性彈性碰撞,則根據(jù)動(dòng)量守恒和機(jī)械能守恒,則
解得,若A球質(zhì)量小于B球質(zhì)量,有上述和的表達(dá)式可知,A球質(zhì)量足夠大,B球質(zhì)量足夠小,有上述和的表達(dá)式可知故C正確,故D錯(cuò)誤。故選C。
三、 非彈性碰撞和完全非彈性碰撞
1.非彈性碰撞
介于彈性碰撞和完全非彈性碰撞之間的碰撞。動(dòng)量守恒,碰撞系統(tǒng)動(dòng)能損失。
根據(jù)動(dòng)量守恒定律可得:m1v1+m2v2=m1v1ˊ+m2v2ˊ (1)
損失動(dòng)能ΔEk,根據(jù)機(jī)械能守恒定律可得: m1v12+ m2v22=m1v1ˊ2+m2v2ˊ 2 + ΔEk. (2)
2.完全非彈性碰撞
v1
v2
v共
m1
m2
碰后物體的速度相同, 根據(jù)動(dòng)量守恒定律可得:
m1v1+m2v2=(m1+m2)v共 (1)
完全非彈性碰撞系統(tǒng)損失的動(dòng)能最多,損失動(dòng)能:
ΔEk= ?m1v12+ ? m2v22- ?(m1+m2)v共2 (2)
聯(lián)立(1)、(2)解得:v共 =;ΔEk=
【例4】A、B兩球在光滑水平面上沿同一直線、同一方向運(yùn)動(dòng),,,,,當(dāng)A追上B并發(fā)生碰撞后,A、B兩球速度的可能值是( ?。?br />
A.,
B.,
C.,
D.,
【答案】C
【詳解】?jī)汕蚺鲎策^(guò)程中系統(tǒng)動(dòng)量守恒,以兩球的初速度方向?yàn)檎较?,如果兩球發(fā)生完全非彈性碰撞,由動(dòng)量守恒定律得代入數(shù)據(jù)解得如果兩球發(fā)生完全彈性碰撞,有
由機(jī)械能守恒定律得代入數(shù)據(jù)解得
則碰撞后A、B的速度;故選C。
四、 類碰撞模型
類“完全彈性碰撞”
類“完全非彈性碰撞”
子彈打木塊模型
板塊模型
彈簧模型
弧形槽模型
擺球模型
【例5】長(zhǎng)為L(zhǎng)、質(zhì)量為M的木塊在粗糙的水平面上處于靜止?fàn)顟B(tài),有一質(zhì)量為m的子彈(可視為質(zhì)點(diǎn))以水平速度擊中木塊并恰好未穿出。設(shè)子彈射入木塊的過(guò)程時(shí)間極短,子彈受到木塊的阻力恒定,木塊運(yùn)動(dòng)的最大距離為x,重力加速度為g,下列說(shuō)法中正確的是( ?。?br />
A.子彈受到的阻力大小
B.子彈受到的阻力大小
C.木塊與水平面間的動(dòng)摩擦因數(shù)
D.木塊與水平面間的動(dòng)摩擦因數(shù)
【答案】AC
【詳解】AB.設(shè)子彈射入木塊的過(guò)程時(shí)間極短,由動(dòng)量守恒得根據(jù)動(dòng)能定理得
聯(lián)立解得,A正確,B錯(cuò)誤;
CD.子彈和物塊一起做減速運(yùn)動(dòng),由動(dòng)能定理得聯(lián)立解得
C正確,D錯(cuò)誤。故選AC。
【例6】如圖甲所示,光滑的水平地面上放著一個(gè)足夠長(zhǎng)的長(zhǎng)木板,t=0時(shí),一質(zhì)量為m的滑塊以初速度v0滑上長(zhǎng)木板,兩者的v﹣t圖像如圖乙所示,當(dāng)?shù)氐闹亓铀俣葹間,下列說(shuō)法正確的是( ?。?br />
A.在0~t0時(shí)間內(nèi),滑塊在長(zhǎng)木板上滑過(guò)的位移為
B.長(zhǎng)木板的質(zhì)量為
C.在0~t0時(shí)間內(nèi),滑塊受到的摩擦力為
D.在0~t0時(shí)間內(nèi),滑塊與長(zhǎng)木板之間因摩擦而產(chǎn)生的熱量為
【答案】C
【詳解】A.在0~t0時(shí)間內(nèi),滑塊在長(zhǎng)木板上滑過(guò)的位移為 ,A錯(cuò)誤;
B.根據(jù)動(dòng)量守恒定律得 解得 ,B錯(cuò)誤;
C.在0~t0時(shí)間內(nèi),對(duì)木板根據(jù)動(dòng)量定理得 解得,C正確;
D.在0~t0時(shí)間內(nèi),根據(jù)能量守恒定律得 ,D錯(cuò)誤。故選C。
【例7】如圖甲所示,一輕質(zhì)彈簧的兩端分別與質(zhì)量是m1、m2的A、B兩物塊相連,它們靜止在光滑水平面上,兩物塊質(zhì)量之比m1:m2=2:3.現(xiàn)給物塊A一個(gè)水平向右的初速度v0并從此時(shí)刻開始計(jì)時(shí),兩物塊的速度隨時(shí)間變化的規(guī)律如圖乙所示,下列說(shuō)法正確的( )
A.t1時(shí)刻彈簧長(zhǎng)度最短,t2時(shí)刻彈簧長(zhǎng)度最長(zhǎng)
B.t2時(shí)刻彈簧處于伸長(zhǎng)狀態(tài)
C.v2=0.8v0
D.v3=0.5v0
【答案】AC
【詳解】AB.從圖象可以看出,從0到t1的過(guò)程中,m1的速度比m2的大,彈簧被壓縮,t1時(shí)刻兩物塊達(dá)到共同速度,此后,m1的速度比m2的小,兩者間距增大,彈簧的壓縮量減小,所以t1時(shí)刻彈簧長(zhǎng)度最短,t2時(shí)刻m2的速度最大,此后m2的速度減小,彈簧被拉伸,則t2時(shí)刻彈簧恢復(fù)原長(zhǎng),t3時(shí)刻兩滑塊速度相等,此時(shí)彈簧最長(zhǎng),故A符合題意,B不符合題意;
C.兩滑塊組成的系統(tǒng)動(dòng)量守恒,以向右為正方向,由動(dòng)量守恒定律得:m1v0=﹣m1v1+m2v2
t2時(shí)刻彈簧恢復(fù)原長(zhǎng),彈簧彈性勢(shì)能為零,系統(tǒng)機(jī)械能守恒,由機(jī)械能守恒定律得:
解得:v2=0.8v0故C不符合題意;
D.兩滑塊組成的系統(tǒng)動(dòng)量守恒,以向右為正方向,由動(dòng)量守恒定律得:m1v0=(m1+m2)v3解得:v3=0.4v0
故D不符合題意;
【例8】如圖所示,質(zhì)量為4m的光滑物塊a靜止在光滑水平地面上,物塊a左側(cè)面為圓弧面且與水平地面相切,質(zhì)量為m的滑塊b以初速度v0向右運(yùn)動(dòng)滑上a,沿a左側(cè)面上滑一段距離后又返回,最后滑離a,不計(jì)一切摩擦,滑塊b從滑上a到滑離a的過(guò)程中,下列說(shuō)法正確的是( ?。?br />
A.滑塊b沿a上升的最大高度為
B.物塊a運(yùn)動(dòng)的最大速度為
C.物塊a對(duì)滑塊b的沖量大小
D.物塊a對(duì)滑塊b的所做的功
【答案】BD
【詳解】A.b沿a上升到最大高度時(shí),兩者速度相等,取向右為正方向,在水平方向,由動(dòng)量守恒定律得
mv0=(m+4m)v由機(jī)械能守恒定律得mv02=(m+4m)v2+mgh解得h=,A錯(cuò)誤;
B.滑塊b從滑上a到滑離a后,物塊a運(yùn)動(dòng)的速度最大。系統(tǒng)在水平方向動(dòng)量守恒,對(duì)整個(gè)過(guò)程,以向右為正方向,由動(dòng)量守恒定律得mv0=mvb+4mva由機(jī)械能守恒定律得mv02=mvb2+×4mva2解得va=v0,vb=v0,B正確;
C.對(duì)b由動(dòng)量定理,C錯(cuò)誤;
D.對(duì)b由動(dòng)能定理,D正確。故選BD。
【例9】如圖所示,質(zhì)量為m滑塊A套在一水平固定的光滑細(xì)桿上,可自由滑動(dòng)。在水平桿上固定一擋板P,滑塊靠在擋板P左側(cè)且處于靜止?fàn)顟B(tài),其下端用長(zhǎng)為L(zhǎng)的不可伸長(zhǎng)的輕質(zhì)細(xì)線懸掛一個(gè)質(zhì)量為3m的小球B,已知重力加速度大小為g。現(xiàn)將小球B拉至右端水平位置,使細(xì)線處于自然長(zhǎng)度,由靜止釋放,忽略空氣阻力,則( ?。?br />
A.滑塊與小球組成的系統(tǒng)機(jī)械能不守恒
B.滑塊與小球組成的系統(tǒng)動(dòng)量守恒
C.小球第一次運(yùn)動(dòng)至最低點(diǎn)時(shí),細(xì)線拉力大小為3mg
D.滑塊運(yùn)動(dòng)過(guò)程中,所能獲得的最大速度為
【答案】D
【詳解】A.滑塊與小球運(yùn)動(dòng)過(guò)程中,系統(tǒng)內(nèi)沒(méi)有除重力之外的力對(duì)系統(tǒng)做功,所以系統(tǒng)機(jī)械能守恒,故A錯(cuò)誤;
B.小球向下擺動(dòng)過(guò)程中,滑塊受到擋板的作用力,滑塊與小球組成的系統(tǒng)合外力不為零,系統(tǒng)動(dòng)量不守恒,故B錯(cuò)誤;
C.設(shè)小球第一次運(yùn)動(dòng)至最低點(diǎn)時(shí)的速度為v,根據(jù)機(jī)械能守恒定律有①在最低點(diǎn)根據(jù)牛頓第二定律有?②聯(lián)立①②解得小球第一次運(yùn)動(dòng)至最低點(diǎn)時(shí)細(xì)線拉力大小為③故C錯(cuò)誤;
D.當(dāng)小球通過(guò)最低點(diǎn)后,P不再受擋板的作用力,此時(shí)小球與滑塊組成的系統(tǒng)在水平方向動(dòng)量守恒,設(shè)某時(shí)刻小球和滑塊的速度分別為v1和v2,規(guī)定水平向左為正方向,根據(jù)動(dòng)量守恒定律有??④
由上式可知,當(dāng)v1與v反向且達(dá)到最大值時(shí),v2也將達(dá)到最大值,即小球第二次通過(guò)最低點(diǎn)時(shí),滑塊速度達(dá)到最大,根據(jù)機(jī)械能守恒定律有 ⑤聯(lián)立①④⑤解得 ⑥
故D正確。故選D。
【多維度分層專練】
1.如圖所示,小車a靜止于光滑水平面上,a上有一圓弧PQ,圓弧位于同一豎直平面內(nèi),小球b由靜止起沿圓弧下滑,則這一過(guò)程中( ?。?br />
A.若圓弧不光滑,則系統(tǒng)的動(dòng)量守恒,機(jī)械能不守恒
B.若圓弧不光滑,則系統(tǒng)的動(dòng)量不守恒,機(jī)械能守恒
C.若圓弧光滑,則系統(tǒng)的動(dòng)量不守恒,機(jī)械能守恒
D.若圓弧光滑,則系統(tǒng)的動(dòng)量守恒,機(jī)械能守恒
【答案】C
【詳解】不論圓弧是否光滑,小車與小球組成的系統(tǒng)在小球下滑過(guò)程中系統(tǒng)所受合外力都不為零,則系統(tǒng)動(dòng)量都不守恒。但系統(tǒng)水平方向不受外力,所以系統(tǒng)水平方向的動(dòng)量守恒;若圓弧光滑,只有重力做功,系統(tǒng)的機(jī)械能守恒;若圓弧不光滑,系統(tǒng)要克服摩擦力做功,機(jī)械能減少,故ABD錯(cuò)誤,C正確。故選C。
2.光滑水平面和豎直光滑曲面相切于曲面的最低點(diǎn),大小相同的彈性小球A、B質(zhì)量分別為mA和mB。B靜止于曲面的最低點(diǎn),讓球A從曲面上一定高度h滑下,在最低點(diǎn)與球B發(fā)生正碰,碰撞過(guò)程無(wú)機(jī)械能損失,水平面足夠長(zhǎng)。下列說(shuō)法正確的是( )
A.兩小球不可能發(fā)生第二次碰撞
B.當(dāng)時(shí),兩小球只能發(fā)生一次碰撞
C.增大h可能讓兩小球發(fā)生第二次碰撞
D.若mA
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