一、力學(xué)的三個基本觀點(diǎn)和選用原則
1.力的三個作用效果及五個規(guī)律
(1)力的三個作用效果
(2)兩個守恒定律
2.力學(xué)規(guī)律的選用原則
(1)如果物體受恒力作用,涉及運(yùn)動細(xì)節(jié)可用動力學(xué)觀點(diǎn)去解決。
(2)研究某一物體受到力的持續(xù)作用發(fā)生運(yùn)動狀態(tài)改變時,一般用動量定理(涉及時間的問題)或動能定理(涉及位移的問題)去解決問題。
(3)若研究的對象為幾個物體組成的系統(tǒng),且它們之間有相互作用,一般用兩個守恒定律解決問題,但需注意所研究的問題是否滿足守恒的條件。
(4)在涉及相對位移問題時優(yōu)先考慮利用能量守恒定律求解,根據(jù)系統(tǒng)克服摩擦力所做的總功等于系統(tǒng)機(jī)械能的減少量(即轉(zhuǎn)化為系統(tǒng)內(nèi)能的量)列方程。
(5)在涉及碰撞、爆炸、打擊、繩繃緊等物理現(xiàn)象時,需注意到這些過程一般隱含有系統(tǒng)機(jī)械能與其他形式能量之間的轉(zhuǎn)化,這種問題由于作用時間極短,因此動量守恒定律一般能派上大用場。
例1 如圖所示,半徑R1=1 m的四分之一光滑圓弧軌道AB與平臺BC在B點(diǎn)平滑連接,半徑R2=0.8 m的四分之一圓弧軌道上端與平臺C端連接,下端與水平地面平滑連接,質(zhì)量m=0.1 kg的乙物塊放在平臺BC的右端C點(diǎn),將質(zhì)量也為m的甲物塊在A點(diǎn)由靜止釋放,讓其沿圓弧下滑,并滑上平臺與乙相碰,碰撞后甲與乙粘在一起從C點(diǎn)水平拋出,甲物塊與平臺間的動摩擦因數(shù)μ=0.2,BC長L=1 m,重力加速度g取10 m/s2,不計(jì)兩物塊的大小及碰撞所用的時間,求:
(1)甲物塊滑到B點(diǎn)時對軌道的壓力大?。?br>(2)甲和乙碰撞后瞬間共同速度的大??;
(3)粘在一起的甲、乙兩物塊從C點(diǎn)拋出到落到CDE段軌道上所用的時間。
答案 (1)3 N (2)2 m/s (3)0.4 s
解析 (1)甲物塊從A點(diǎn)滑到B點(diǎn),根據(jù)機(jī)械能守恒定律有:mgR1=eq \f(1,2)mv12
甲物塊運(yùn)動到B點(diǎn)時,根據(jù)牛頓第二定律有:FN-mg=meq \f(v12,R1)
聯(lián)立解得:v1=2eq \r(5) m/s,F(xiàn)N=3 N
根據(jù)牛頓第三定律可知,甲物塊在B點(diǎn)時對軌道的壓力大小FN′=FN=3 N。
(2)甲從B點(diǎn)向右滑動的過程中,做勻減速直線運(yùn)動,加速度大小為a=μg=2 m/s2
設(shè)甲物塊運(yùn)動到與乙相碰前瞬間的速度為v2,由v22-v12=-2aL,解得v2=4 m/s
設(shè)甲、乙相碰后瞬間共同速度的大小為v3,取向右為正方向,根據(jù)動量守恒定律有:mv2=2mv3
解得:v3=2 m/s。
(3)碰撞后,甲和乙以2 m/s的速度水平拋出,假設(shè)兩物塊會落到水平地面上
則下落的時間t=eq \r(\f(2R2,g))=0.4 s
則水平方向的位移x=v3t=0.8 m=R2
說明兩物塊剛好落到D點(diǎn),假設(shè)成立
因此拋出后落到CDE軌道上所用時間為0.4 s。
針對訓(xùn)練1 (2022·濟(jì)寧市高一月考)如圖所示,在光滑水平面上有B、C兩個木板,B的上表面光滑,C的上表面粗糙,B上有一個可視為質(zhì)點(diǎn)的物塊A,A、B、C的質(zhì)量分別為3m、2m、m。A、B以相同的初速度v向右運(yùn)動,C以大小相等的速度v向左運(yùn)動。B、C的上表面等高,二者發(fā)生完全非彈性碰撞但并不粘連,碰撞時間很短。A滑上C后恰好能到達(dá)C的中間位置,C的長度為L,不計(jì)空氣阻力。求:
(1)木板C的最終速度的大??;
(2)木板C與物塊A之間的摩擦力Ff的大??;
(3)物塊A滑上木板C之后,在木板C上做減速運(yùn)動的時間t。
答案 (1)eq \f(5,6)v (2)eq \f(mv2,3L) (3)eq \f(3L,2v)
解析 (1)取向右為正方向,B、C碰撞過程中動量守恒:2mv-mv=(2m+m)v1
解得v1=eq \f(v,3)
A滑到C上,A、C系統(tǒng)動量守恒:3mv+mv1=(3m+m)v2
解得v2=eq \f(5,6)v
(2)在A、C相互作用過程中,有Q=Ff·eq \f(L,2),
Q=eq \f(1,2)(3m)v2+eq \f(1,2)mv12-eq \f(1,2)(3m+m)v22
解得Ff=eq \f(mv2,3L);
(3)在A、C相互作用過程中,以C為研究對象,由動量定理得Fft=mv2-mv1
解得t=eq \f(3L,2v)。
1.靈活選取系統(tǒng)。根據(jù)題目的特點(diǎn)可選取其中動量守恒或能量守恒的幾個物體為研究對象,不一定選所有的物體為研究對象。
2.靈活選取物理過程。在綜合題目中,物體運(yùn)動常有幾個不同的過程,根據(jù)題目的已知、未知條件靈活地選取物理過程來研究。列方程前要注意分析、判斷所選過程動量、能量的守恒情況。
二、用動量和能量觀點(diǎn)綜合解決問題
1.系統(tǒng)化思維方法
(1)對多個物理過程進(jìn)行整體思考,即把幾個過程合為一個過程來處理,如用動量守恒定律解決比較復(fù)雜的運(yùn)動。
(2)對多個研究對象進(jìn)行整體思考,即把兩個或兩個以上的物體作為一個整體進(jìn)行考慮,如應(yīng)用動量守恒定律時,就是把多個物體看成一個整體(或系統(tǒng))。
2.若單獨(dú)利用動量觀點(diǎn)(或能量觀點(diǎn))無法解決問題,可嘗試兩種觀點(diǎn)結(jié)合聯(lián)立方程求解。
例2 如圖所示,質(zhì)量m=1 kg的小物塊靜止放置在固定水平臺的最左端,質(zhì)量M=2 kg的小車左端緊靠平臺靜置在光滑水平地面上,平臺、小車的長度l均為0.6 m?,F(xiàn)對小物塊施加一水平向右的恒力F,使小物塊開始運(yùn)動,當(dāng)小物塊到達(dá)平臺最右端時撤去恒力F,小物塊剛好能夠到達(dá)小車的右端。小物塊大小不計(jì),與平臺間、小車間的動摩擦因數(shù)μ均為0.5,重力加速度g取10 m/s2,水平面足夠長,求:
(1)小物塊離開平臺時速度的大??;
(2)水平恒力F對小物塊沖量的大小。
答案 (1)3 m/s (2)5 N·s
解析 (1)設(shè)撤去水平向右的恒力F時小物塊的速度大小為v0,小物塊和小車的共同速度大小為v1。從撤去恒力到小物塊到達(dá)小車右端過程,以v0的方向?yàn)檎较?,對小物塊和小車組成的系統(tǒng):
由動量守恒定律得:mv0=(m+M)v1
由能量守恒定律得:eq \f(1,2)mv02=eq \f(1,2)(m+M)v12+μmgl
聯(lián)立以上兩式并代入數(shù)據(jù)得:v0=3 m/s。
(2)設(shè)水平恒力F對小物塊沖量的大小為I,小物塊在平臺上運(yùn)動的時間為t。小物塊在平臺上運(yùn)動的過程,對小物塊:
由動量定理得:I-μmgt=mv0-0
由運(yùn)動學(xué)規(guī)律得:l=eq \f(v0,2)t
聯(lián)立并代入數(shù)據(jù)得:I=5 N·s。
針對訓(xùn)練2 如圖所示,在光滑的水平面上放置了一個質(zhì)量M=3 kg的長木板AB,長木板的上表面AC段是粗糙的、BC段是光滑的,長木板的左端放置了一個質(zhì)量m=1 kg的小物塊(視為質(zhì)點(diǎn)),物塊與粗糙段間的動摩擦因數(shù)μ=0.15,木板右端B連著一段輕質(zhì)彈簧,彈簧處于自然狀態(tài)時,左端點(diǎn)正好在C點(diǎn),系統(tǒng)處于靜止?fàn)顟B(tài)。若給小物塊一個向右的初速度v0=
2 m/s,小物塊正好滑到C處;如果給長木板施加一個水平向左的恒力F(圖中未畫出),作用t=1 s時間后撤去此力時,小物塊正好到達(dá)C點(diǎn)。求:
(1)長木板粗糙段的長度;
(2)恒力F的大??;
(3)撤去恒力后,彈簧的最大彈性勢能。
答案 (1)1 m (2)12 N (3)1.5 J
解析 (1)設(shè)長木板粗糙段長度為L,小物塊與長木板組成的系統(tǒng)動量守恒,給小物塊一個初速度v0=2 m/s,小物塊正好滑到C處,說明小物塊與長木板達(dá)到共同速度,由動量守恒定律和功能關(guān)系有
mv0=(m+M)v
μmgL=eq \f(1,2)mv02-eq \f(1,2)(m+M)v2
解得L=1 m
(2)設(shè)經(jīng)過t=1 s時間后,長木板和小物塊的速度分別是v1、v2,對系統(tǒng)由動量定理有:
Ft=Mv1+mv2
對整個系統(tǒng)由功能關(guān)系有:
Fx-μmgL=eq \f(1,2)Mv12+eq \f(1,2)mv22
又eq \f(v1,2)t=x
eq \f(v2,2)t=x-L
聯(lián)立解得F=12 N,v1=3.5 m/s,v2=1.5 m/s
(3)當(dāng)彈簧的彈性勢能最大時,長木板與小物塊達(dá)到共同速度,設(shè)為v3,則
Mv1+mv2=(M+m)v3
eq \f(1,2)Mv12+eq \f(1,2)mv22=Epm+eq \f(1,2)(M+m)v32
解得Epm=1.5 J。
專題強(qiáng)化練
1.學(xué)生練習(xí)用頭顛球。某一次足球由靜止自由下落80 cm,被重新頂起,離開頭部后豎直上升的最大高度仍為80 cm。已知足球與頭部的作用時間為0.1 s,足球的質(zhì)量為0.4 kg,重力加速度g取10 m/s2,不計(jì)空氣阻力,下列說法正確的是( )
A.頭部對足球的平均作用力為足球重力的10倍
B.足球下落到與頭部剛接觸時動量大小為3.2 kg·m/s
C.足球與頭部作用過程中動量變化量大小為3.2 kg·m/s
D.足球從最高點(diǎn)下落至重新回到最高點(diǎn)的過程中重力的沖量大小為3.2 N·s
答案 C
解析 設(shè)足球自由下落到人頭頂前瞬時速度大小為v0,由動能定理得mgh=eq \f(1,2)mv02,則v0=eq \r(2gh)=4 m/s
對足球,在與人頭頂作用過程中,規(guī)定豎直向上為正方向,由動量定理得
(eq \x\t(F)-mg)Δt=mv0-(-mv0)
解得eq \x\t(F)=mg+eq \f(2mv0,Δt)=36 N
足球的重力G=mg=4 N,頭部對足球的平均作用力為足球重力的9倍,A錯誤;
足球下落到與頭部剛接觸時動量大小mv0=1.6 kg·m/s,B錯誤;
足球與頭部作用過程中動量變化大小為2mv0=3.2 kg·m/s,C正確;
足球從最高點(diǎn)下落至重新回到最高點(diǎn)過程中重力的沖量大小為
IG=mg(Δt+2t)=4×(0.1+2×0.4)N·s=3.6 N·s,D錯誤。
2.(多選)(2022·唐山市高二期中)像子彈這樣高速運(yùn)動物體的速度通常很難直接測量,但我們可以借助物理知識設(shè)計(jì)方案幫助我們測量。如圖所示,有一種測子彈速度的方案如下:長為L的細(xì)線下吊著一個質(zhì)量為M的沙袋(大小可忽略不計(jì)),一顆質(zhì)量為m的子彈水平射入沙袋并在極短時間內(nèi)留在其中,然后隨沙袋一起擺動,若細(xì)線與豎直方向的最大偏角是θ(小于90°),已知重力加速度為g,不計(jì)空氣阻力,則( )
A.子彈射入沙袋后和沙袋的共同速度為eq \r(2gL?1-cs θ?)
B.子彈射入沙袋前的速度為eq \f(M+m,m)eq \r(2gL?1-cs θ?)
C.系統(tǒng)損失的機(jī)械能為eq \f(M,m)(M+m)gL(1-cs θ)
D.子彈射入沙袋后瞬間細(xì)繩拉力為3(M+m)·g(1-cs θ)
答案 ABC
解析 子彈射入沙袋后與沙袋一起擺動的過程,根據(jù)機(jī)械能守恒定律可得(m+M)gL(1-cs θ)=eq \f(1,2)(m+M)v12,解得子彈射入沙袋后和沙袋的共同速度為v1=eq \r(2gL?1-cs θ?),A正確;子彈射入沙袋的過程,水平方向動量守恒,可得mv0=(m+M)v1,解得子彈射入沙袋前的速度為v0=eq \f(M+m,m)eq \r(2gL?1-cs θ?),B正確;系統(tǒng)損失的機(jī)械能為ΔE=eq \f(1,2)mv02-eq \f(1,2)(m+M)v12=eq \f(M,m)(M+m)gL(1-cs θ),C正確;子彈射入沙袋后的瞬間,根據(jù)牛頓第二定律可得F-(m+M)g=(m+M)eq \f(v12,L),解得細(xì)繩的拉力大小為F=(m+M)·g(3-2cs θ),D錯誤。
3.(2022·山東青島二中高二期中)如圖所示,質(zhì)量為M的長木板靜止在光滑水平面上,上表面OA段光滑,AB段粗糙且長為l,左端O處固定輕質(zhì)彈簧,右側(cè)用不可伸長的輕繩連接于豎直墻上,輕繩所能承受的最大拉力為F.質(zhì)量為m的小滑塊以速度v從A點(diǎn)向左滑動壓縮彈簧,彈簧的壓縮量達(dá)最大時細(xì)繩恰好被拉斷,再過一段時間后長木板停止運(yùn)動,小滑塊恰未掉落。重力加速度為g。則( )
A.細(xì)繩被拉斷后瞬間木板的加速度大小為eq \f(F,m)
B.細(xì)繩被拉斷瞬間彈簧的彈性勢能為eq \f(1,4)mv2
C.彈簧恢復(fù)原長時滑塊的動能為eq \f(1,2)mv2
D.滑塊與木板AB間的動摩擦因數(shù)為eq \f(v2,2gl)
答案 D
解析 細(xì)繩被拉斷瞬間,對木板分析,由于OA段光滑,沒有摩擦力,在水平方向上只受到彈簧的彈力,細(xì)繩被拉斷瞬間彈簧的彈力等于F,根據(jù)牛頓第二定律有F=Ma,解得a=eq \f(F,M),故A錯誤;滑塊以速度v從A點(diǎn)向左滑動壓縮彈簧,到彈簧壓縮量最大時速度為0,由系統(tǒng)的機(jī)械能守恒得:細(xì)繩被拉斷瞬間彈簧的彈性勢能為eq \f(1,2)mv2,故B錯誤;彈簧恢復(fù)原長時木板具有動能,所以滑塊的動能小于eq \f(1,2)mv2,故C錯誤;由于細(xì)繩被拉斷瞬間,木板速度為零,小滑塊速度為零,所以小滑塊的動能全部轉(zhuǎn)化為彈簧的彈性勢能,即Ep=eq \f(1,2)mv2,小滑塊恰未掉落時滑到木板的右端,且速度與木板相同,設(shè)為v′,取向左為正方向,由動量守恒定律和能量守恒定律得0=(m+M)v′,Ep=eq \f(1,2)(m+M)v′2+μmgl,聯(lián)立解得μ=eq \f(v2,2gl),故D正確。
4.如圖所示,足夠長的曲面與水平桌面平滑連接,將兩物體甲、乙之間的輕彈簧壓縮后用細(xì)線連接,置于水平桌面上,彈簧與兩物體不拴連?,F(xiàn)將細(xì)線燒斷,彈簧將兩物體彈開,乙離開彈簧后從右邊飛出,甲離開彈簧后沖上曲面。已知桌面高為h,乙平拋的水平射程為x,甲的質(zhì)量為2m,乙的質(zhì)量為m,不計(jì)一切摩擦及空氣阻力,重力加速度為g,求:
(1)乙離開彈簧時的速度大??;
(2)甲上升到曲面最高點(diǎn)時距桌面的高度H;
(3)彈簧的最大彈性勢能。
答案 (1)xeq \r(\f(g,2h)) (2)eq \f(x2,16h) (3)eq \f(3mgx2,8h)
解析 (1)對乙的平拋過程分析,有
h=eq \f(1,2)gt2,
x=v2t
聯(lián)立解得v2=xeq \r(\f(g,2h))
(2)彈簧將兩物體彈開的過程,甲、乙組成的系統(tǒng)動量守恒,取向左為正方向,由動量守恒定律有
2mv1-mv2=0
解得v1=eq \f(x,2)eq \r(\f(g,2h))
對甲沖上曲面過程,由機(jī)械能守恒定律有
2mgH=eq \f(1,2)×2mv12
解得H=eq \f(x2,16h)
(3)彈簧的最大彈性勢能為Epm=eq \f(1,2)×2mv12+eq \f(1,2)mv22
解得Epm=eq \f(3mgx2,8h)。
5.(2023·浙江1月選考)一游戲裝置豎直截面如圖所示,該裝置由固定在水平地面上傾角θ=37°的直軌道AB、螺旋圓形軌道BCDE、傾角θ=37°的直軌道EF、水平直軌道FG組成,除FG段外各段軌道均光滑,且各處平滑連接.螺旋圓形軌道與軌道AB、EF相切于B(E)處.凹槽GHIJ底面HI水平光滑,上面放有一無動力擺渡車,并緊靠在豎直側(cè)壁GH處,擺渡車上表面與直軌道FG、平臺JK位于同一水平面.已知螺旋圓形軌道半徑R=0.5 m,B點(diǎn)高度為1.2R,F(xiàn)G長度LFG=2.5 m,HI長度L0=9 m,擺渡車長度L=3 m、質(zhì)量m=1 kg.將一質(zhì)量也為m的滑塊從傾斜軌道AB上高度h=2.3 m處靜止釋放,滑塊在FG段運(yùn)動時的阻力為其重力的0.2倍.(擺渡車碰到豎直側(cè)壁IJ立即靜止,滑塊視為質(zhì)點(diǎn),不計(jì)空氣阻力,sin 37°=0.6,cs 37°=0.8)
(1)求滑塊過C點(diǎn)的速度大小vC和軌道對滑塊的作用力大小FC;
(2)擺渡車碰到IJ前,滑塊恰好不脫離擺渡車,求滑塊與擺渡車之間的動摩擦因數(shù)μ;
(3)在(2)的條件下,求滑塊從G到J所用的時間t.
答案 (1)4 m/s 22 N (2)0.3 (3)2.5 s
解析 (1)滑塊從靜止釋放到C點(diǎn)過程,根據(jù)動能定理可得mg(h-1.2R-R-Rcs θ)=eq \f(1,2)mvC2
解得vC=4 m/s
滑塊過C點(diǎn)時,根據(jù)牛頓第二定律可得
FC+mg=meq \f(vC2,R)
解得FC=22 N
(2)設(shè)滑塊剛滑上擺渡車時的速度大小為v,從靜止釋放到G點(diǎn)過程,根據(jù)動能定理可得
mgh-0.2mgLFG=eq \f(1,2)mv2
解得v=6 m/s
擺渡車碰到IJ前,滑塊恰好不脫離擺渡車,說明滑塊到達(dá)擺渡車右端時剛好與擺渡車共速,設(shè)為v1,以滑塊和擺渡車為系統(tǒng),根據(jù)系統(tǒng)動量守恒可得mv=2mv1
解得v1=eq \f(v,2)=3 m/s
根據(jù)能量守恒可得Q=μmgL=eq \f(1,2)mv2-eq \f(1,2)×2mv12
解得μ=0.3
(3)滑塊從滑上擺渡車到與擺渡車共速過程,滑塊的加速度大小為a=eq \f(μmg,m)=3 m/s2
所用時間為t1=eq \f(v-v1,a)=1 s
此過程滑塊通過的位移為x1=eq \f(v+v1,2)t1=4.5 m
滑塊與擺渡車共速后,滑塊與擺渡車一起做勻速直線運(yùn)動,該過程所用時間為t2=eq \f(L0-x1,v1)=1.5 s
則滑塊從G到J所用的時間為t=t1+t2=2.5 s.
6.(2023·本溪市高二月考)如圖所示,傾角θ=37°的光滑固定斜面上放有A、B、C三個質(zhì)量均為m的物塊(均可視為質(zhì)點(diǎn)),A固定,C與固定在斜面底端的擋板接觸,B與C通過輕彈簧相連且均處于靜止?fàn)顟B(tài),A、B間的距離為d?,F(xiàn)釋放A,一段時間后A與B發(fā)生碰撞,重力加速度大小為g。取sin 37°=0.6,cs 37°=0.8。
(1)若A、B間的碰撞為彈性碰撞,碰撞后立即撤去A,且B沿斜面向下運(yùn)動到速度減為零時(此時B與C不接觸,彈簧仍在彈性限度內(nèi)),彈簧的彈性勢能增量為Ep,求B沿斜面向下運(yùn)動的最大距離x。
(2)若A下滑后與B碰撞并粘在一起,且C剛好要離開擋板時,A、B的總動能為Ek,求彈簧的勁度系數(shù)k。
答案 (1)eq \f(5Ep,3mg)-d (2)eq \f(72m2g2,15mgd-50Ek)
解析 (1)物塊A下滑的過程,根據(jù)機(jī)械能守恒定律有mgdsin θ=eq \f(1,2)mv02,
解得v0=eq \r(\f(6,5)gd),
設(shè)A、B碰撞后瞬間的速度大小分別為v1、v2,根據(jù)動量守恒定律有mv0=mv1+mv2
A、B碰撞過程機(jī)械能守恒,有eq \f(1,2)mv02=eq \f(1,2)mv12+eq \f(1,2)mv22
解得v1=0,v2=v0=eq \r(\f(6,5)gd)
A、B碰撞后,B沿斜面向下壓縮彈簧至速度減為零的過程,根據(jù)能量守恒定律有Ep=eq \f(1,2)mv22+mgxsin θ,
解得x=eq \f(5Ep,3mg)-d。
(2)A、B碰撞前,彈簧的壓縮量為x1=eq \f(mgsin θ,k),
設(shè)A、B碰撞后瞬間的共同速度大小為v3,
則有mv0=2mv3,解得v3=eq \f(1,2)eq \r(\f(6,5)gd),
C恰好要離開擋板時,彈簧的伸長量為x2=eq \f(mgsin θ,k),可知,在B開始沿斜面向下運(yùn)動到C剛好要離開擋板的過程中,彈簧的彈性勢能的改變量為零,根據(jù)機(jī)械能守恒定律有eq \f(1,2)×2mv32=Ek+2mg(x1+x2)sin θ,解得k=eq \f(72m2g2,15mgd-50Ek)。作用效果
對應(yīng)規(guī)律
表達(dá)式
列式角度
力的瞬時作用效果
牛頓第二定律
F合=ma
動力學(xué)
力在空間上的積累效果
動能定理
W合=ΔEk即W合=eq \f(1,2)mv22-eq \f(1,2)mv12
功能關(guān)系
力在時間上的積累效果
動量定理
I合=Δp即FΔt=mv′-mv
沖量與動量的關(guān)系
名稱
表達(dá)式
列式角度
能量守恒定律(包括機(jī)械能守恒定律)
E2=E1
能量轉(zhuǎn)化(轉(zhuǎn)移)
動量守恒定律
p2=p1
動量關(guān)系

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高中人教版 (2019)1 動量課后練習(xí)題:

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高中物理人教版 (2019)選擇性必修 第一冊電子課本

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版本: 人教版 (2019)

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