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2020版新一线高考物理(新课标)一轮复习教学案:第6章第2节 动量守恒定律及其应用
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第2节 动量守恒定律及其应用
知识点一| 动量守恒定律的理解及应用
1.动量守恒的条件
(1)系统不受外力或所受外力之和为零时,系统的动量守恒。
(2)系统所受外力之和不为零,但当内力远大于外力时系统动量近似守恒。
(3)系统所受外力之和不为零,但在某个方向上所受合外力为零或不受外力,或外力可以忽略,则在这个方向上,系统动量守恒。
2.动量守恒定律的内容
如果一个系统不受外力,或者所受外力的矢量和为零,这个系统的总动量保持不变。
3.动量守恒的数学表达式
(1)p=p′(系统相互作用前总动量p等于相互作用后总动量p′)。
(2)Δp=0(系统总动量变化为零)。
(3)Δp1=-Δp2(相互作用的两个物体组成的系统,两物体动量增量大小相等,方向相反)。
(1)系统所受合外力的冲量为零,则系统动量一定守恒。 (√)
(2)动量守恒是指系统在初、末状态时的动量相等。 (×)
(3)物体相互作用时动量守恒,但机械能不一定守恒。 (√)
动量守恒定律的“五性”
矢量性
动量守恒定律的表达式为矢量方程,解题应选取统一的正方向
相对性
各物体的速度必须是相对同一参考系的速度(没有特殊说明要选地球这个参考系)。如果题设条件中各物体的速度不是相对同一参考系时,必须转换成相对同一参考系的速度
同时性
动量是一个瞬时量,表达式中的p1、p2…必须是系统中各物体在相互作用前同一时刻的动量,p′1、p′2…必须是系统中各物体在相互作用后同一时刻的动量,不同时刻的动量不能相加
系统性
研究的对象是相互作用的两个或多个物体组成的系统,而不是其中的一个物体,更不能题中有几个物体就选几个物体
普适性
动量守恒定律不仅适用于低速宏观物体组成的系统,还适用于接近光速运动的微观粒子组成的系统
[典例] 两磁铁各放在一辆小车上,小车能在水平面上无摩擦地沿同一直线运动。已知甲车和磁铁的总质量为0.5 kg,乙车和磁铁的总质量为1.0 kg。两磁铁的N极相对,推动一下,使两车相向运动。某时刻甲的速率为2 m/s,乙的速率为3 m/s,方向与甲相反。两车运动过程中始终未相碰。则:
(1)两车最近时,乙的速度为多大?
(2)甲车开始反向运动时,乙的速度为多大?
解析:(1)两车相距最近时,两车的速度相同,设该速度为v,取乙车的速度方向为正方向。由动量守恒定律得m乙v乙-m甲v甲=(m甲+m乙)v,所以两车最近时,乙车的速度为v== m/s= m/s≈1.33 m/s。
(2)甲车开始反向时,其速度为0,设此时乙车的速度为v乙′,由动量守恒定律得m乙v乙-m甲v甲=m乙v乙′,得v乙′== m/s=2 m/s。
答案:(1)1.33 m/s (2)2 m/s
应用动量守恒定律的解题步骤
(1)明确研究对象,确定系统的组成(系统包括哪几个物体及研究的过程)。
(2)进行受力分析,判断系统动量是否守恒(或某一方向上是否守恒)。
(3)规定正方向,确定初、末状态动量。
(4)由动量守恒定律列出方程。
(5)代入数据,求出结果,必要时讨论说明。
考法1 动量守恒的判断及应用
1.(多选)如图所示,A、B两物体质量之比mA∶mB=3∶2,原来静止在平板小车C上,A、B间有一根被压缩的弹簧,地面光滑,当弹簧突然释放后,则( )
A.若A、B与平板车上表面间的动摩擦因数相同,A、B组成系统的动量守恒
B.若A、B与平板车上表面间的动摩擦因数相同,A、B、C组成系统的动量守恒
C.若A、B所受的摩擦力大小相等,A、B组成系统的动量守恒
D.若A、B所受的摩擦力大小相等,A、B、C组成系统的动量守恒
BCD [如果A、B与平板车上表面间的动摩擦因数相同,弹簧释放后A、B分别相对小车向左、向右滑动,它们所受的滑动摩擦力FA向右,FB向左,由于mA∶mB=3∶2,所以FA∶FB=3∶2,则A、B组成系统所受的外力之和不为零,故其动量不守恒,A选项错误。对A、B、C组成的系统,A、B与C间的摩擦力为内力,该系统所受的外力为竖直方向的重力、支持力,它们的合力为零,故该系统的动量守恒,B、D选项正确。若A、B所受摩擦力大小相等,则A、B组成的系统受到的外力之和为零,故其动量守恒,C选项正确。]
2.(2017·全国卷Ⅰ)将质量为1.00 kg的模型火箭点火升空,50 g燃烧的燃气以大小为600 m/s的速度从火箭喷口在很短时间内喷出。在燃气喷出后的瞬间,火箭的动量大小为(喷出过程中重力和空气阻力可忽略)( )
A.30 kg·m/s B.5.7×102 kg·m/s
C.6.0×102 kg·m/s D.6.3×102 kg·m/s
A [由于喷气时间短,且不计重力和空气阻力,则火箭和燃气组成的系统动量守恒。
燃气的动量p1=mv=0.05×600 kg·m/s=30 kg·m/s,
则火箭的动量
p2=p1=30 kg·m/s,选项A正确。]
3.如图在光滑水平面上叠放A、B两物体,其间有摩擦,mA=2 kg,mB=1 kg,速度的大小均为v0=10 m/s,设A板足够长,当观察到B做加速运动时,A的可能速度为( )
A.2 m/s B.3 m/s
C.4 m/s D.5 m/s
C [因摩擦力作用,A、B必先做减速运动,因初动量总和为(2×10-1×10) kg·m/s=10 kg·m/s,故必是B先减速为零,后反向加速,最后与A一起向右运动,整个过程中,A一直减速。当B速度为零时,A速度为v1,由动量守恒定律得v1==5 m/s,A、B最终速度为v2= m/s≈3.3 m/s。可见,B做加速运动时,A的速度范围是3.3 m/s
考法2 多物体多过程的动量守恒问题
4.如图所示,甲、乙两船的总质量(包括船、人和货物)分别为10m、12m,两船沿同一直线同一方向运动,速度分别为2v0、v0。为避免两船相撞,乙船上的人将一质量为m的货物沿水平方向抛向甲船,甲船上的人将货物接住,求抛出货物的最小速度。(不计水的阻力和货物在两船之间的运动过程)
解析:设乙船上的人抛出货物的最小速度大小为vmin,抛出货物后乙船的速度为v乙。甲船上的人接到货物后甲船的速度为v甲,规定向右的方向为正方向。
对乙船和货物的作用过程,由动量守恒定律得
12mv0=11mv乙-mvmin ①
对货物和甲船的作用过程,同理有
10m×2v0-mvmin=11mv甲 ②
为避免两船相撞应有v甲=v乙 ③
联立①②③式得vmin=4v0。
答案:4v0
知识点二| 碰撞、反冲和爆炸问题
1.碰撞
(1)概念:碰撞是指物体间的相互作用持续时间很短,而物体间相互作用力很大的现象。
(2)特点:在碰撞现象中,一般都满足内力远大于外力,可认为相互碰撞的物体组成的系统动量守恒。
(3)分类:
动量是否守恒
机械能是否守恒
弹性碰撞
守恒
守恒
非完全弹性碰撞
守恒
有损失
完全非弹性碰撞
守恒
损失最大
2.反冲运动
(1)物体在内力作用下分裂为两个不同部分,并且这两部分向相反方向运动的现象。
(2)反冲运动中,相互作用力一般较大,通常可以用动量守恒定律来处理。
3.爆炸问题
(1)爆炸与碰撞类似,物体间的相互作用力很大,且远大于系统所受的外力,所以系统动量守恒。
(2)爆炸过程中位移很小,可忽略不计,作用后从相互作用前的位置以新的动量开始运动。
(1)在爆炸现象中,动量严格守恒。 (×)
(2)在碰撞问题中,机械能也一定守恒。 (×)
(3)反冲现象中动量守恒、动能增加。 (√)
1.弹性碰撞后速度的求解
根据动量守恒和机械能守恒
解得v1′=
v2′=
2.弹性碰撞分析讨论
当碰前物体2的速度不为零时,若m1=m2,则v1′=v2,v2′=v1,即两物体交换速度。
当碰前物体2的速度为零时,v2=0,则:
v1′=,v2′=,
(1)m1=m2时,v1′=0,v2′=v1,碰撞后两物体交换速度。
(2)m1>m2时,v1′>0,v2′>0,碰撞后两物体沿同方向运动。
(3)m10,碰撞后质量小的物体被反弹回来。
[典例] (2019·揭阳检测)如图所示,水平面上相距为L=5 m的P、Q两点分别固定一竖直挡板,一质量为M=2 kg的小物块B静止在O点,OP段光滑,OQ段粗糙且长度为d=3 m。一质量为m=1 kg的小物块A以v0=6 m/s的初速度从OP段的某点向右运动,并与B发生弹性碰撞。两物块与OQ段的动摩擦因数均为μ=0.2,两物块与挡板的碰撞时间极短且均不损失机械能。重力加速度g取10 m/s2,求:
(1)A与B在O点碰后瞬间各自的速度;
(2)两物块各自停止运动时的时间间隔。
【思路点拨】 (1)A、B发生弹性碰撞,则碰撞过程中系统动量、动能均守恒。
(2)两物块与挡板碰撞时间极短且均不损失机械能,说明两物块与挡板碰撞后返回的速度与碰前速度大小相等。
(3)注意判断A与B能否再次发生碰撞。
解析:(1)设A、B在O点碰后的速度分别为v1和v2,以向右为正方向。
由动量守恒定律得:mv0=mv1+Mv2
碰撞前后动能相等,则得:
mv=mv+Mv
解得:v1=-2 m/s,方向向左,v2=4 m/s,方向向右。
(2)碰后,两物块在OQ段减速时加速度大小均为:
a=μg=2 m/s2
B经过t1时间与Q处挡板相碰,由运动学公式:
v2t1-at=d
得:t1=1 s(t1=3 s舍去)
与挡板碰后,B的速度大小
v3=v2-at1=2 m/s
反弹后减速时间t2==1 s
反弹后经过位移s1==1 m,B停止运动
物块A与P处挡板碰后,以v4=2 m/s的速度滑上O点,经过s2==1 m停止
所以最终A、B的距离s=d-s1-s2=1 m
两者不会碰第二次
在A、B碰后,A运动总时间
tA=+=3 s
B运动总时间tB=t1+t2=2 s
则时间间隔ΔtAB=tA-tB=1 s。
答案:(1)2 m/s,方向向左 4 m/s,方向向右 (2)1 s
碰撞问题解题策略
(1)抓住碰撞的特点和不同种类碰撞满足的条件,列出相应方程求解。
(2)可熟记一些公式,例如“一动一静”模型中,两物体发生弹性正碰后的速度满足:
v1′=v1、v2′=v1。
(3)熟记弹性正碰的一些结论,例如,当两球质量相等时,两球碰撞后交换速度。当m1≫m2,且v2=0时,碰后质量大的速率不变,质量小的速率为2v1。当m1≪m2,且v2=0时,碰后质量小的球原速率反弹。
考法1 碰撞问题
1.两球A、B在光滑水平面上沿同一直线、同一方向运动,mA=1 kg,mB=2 kg,vA=6 m/s,vB=2 m/s。当A追上B并发生碰撞后,两球A、B速度的可能值是( )
A.vA′=5 m/s,vB′=2.5 m/s
B.vA′=2 m/s,vB′=4 m/s
C.vA′=-4 m/s,vB′=7 m/s
D.vA′=7 m/s,vB′=1.5 m/s
B [虽然题中四个选项均满足动量守恒定律,但A、D两项中,碰后A的速度vA′大于B的速度vB′,必然要发生第二次碰撞,不符合实际;C项中,两球碰后的总动能Ek′=mAv′+mBv′=57 J,大于碰前的总动能Ek=22 J,违背了能量守恒定律;而B项既符合实际情况,也不违背能量守恒定律,故B项正确。]
2.(多选)(2019·银川模拟)A、B两球沿一直线运动并发生正碰,如图所示为两球碰撞前、后的位移随时间变化的图象,a、b分别为A、B两球碰前的位移随时间变化的图线,c为碰撞后两球共同运动的位移随时间变化的图线,若A球质量是m=2 kg,则由图象判断下列结论正确的是( )
A.碰撞前、后A球的动量变化量为4 kg·m/s
B.碰撞时A球对B球所施的冲量为-4 N·s
C.A、B两球碰撞前的总动量为3 kg·m/s
D.碰撞中A、B两球组成的系统损失的动能为10 J
ABD [根据题图可知,碰前A球的速度vA=-3 m/s,碰前B球的速度vB=2 m/s,碰后A、B两球共同的速度v=-1 m/s,故碰撞前、后A球的动量变化量为ΔpA=mv-mvA=4 kg·m/s,选项A正确;A球的动量变化量为4 kg·m/s,碰撞过程中动量守恒,B球的动量变化量为-4 kg·m/s,根据动量定理,碰撞过程中A球对B球所施的冲量为-4 N·s,选项B正确;由于碰撞过程中动量守恒,有mvA+mBvB=(m+mB)v,解得mB= kg,故碰撞过程中A、B两球组成的系统损失的动能为ΔEk=mv+mBv-(m+mB)v2=10 J,选项D正确;A、B两球碰撞前的总动量为p=mvA+mBvB=(m+mB)v=- kg·m/s,选项C错误。]
3.如图所示,在光滑水平面上静置有质量均为m的木板AB和滑块CD,木板AB上表面粗糙,滑块CD上表面是光滑的圆弧,其始端D点切线水平且在木板AB上表面内,它们紧靠在一起。一可视为质点的物块P,质量也为m,从木板AB的右端以初速度v0滑上木板AB,过B点时速度为,又滑上滑块CD,最终恰好能滑到滑块CD圆弧的最高点C处,求:
(1)物块滑到B处时木板的速度vAB;
(2)滑块CD圆弧的半径R。
解析:(1)物块由A点到B点,取向左为正方向,vB=
由动量守恒得mv0=mvB+2mvAB,则vAB=。
(2)物块由D点到C点,滑块CD与物块P组成的系统动量守恒,机械能守恒,则m·+m·=2mv共
m+m=×2mv+mgR
解得R=。
答案:(1) (2)
4. (2018·全国卷Ⅱ)汽车A在水平冰雪路面上行驶。驾驶员发现其正前方停有汽车B,立即采取制动措施,但仍然撞上了汽车B。两车碰撞时和两车都完全停止后的位置如图所示,碰撞后B车向前滑动了4.5 m,A车向前滑动了2.0 m。已知A和B的质量分别为2.0×103 kg和1.5×103 kg,两车与该冰雪路面间的动摩擦因数均为0.10,两车碰撞时间极短,在碰撞后车轮均没有滚动,重力加速度大小g=10 m/s2。求:
(1)碰撞后的瞬间B车速度的大小;
(2)碰撞前的瞬间A车速度的大小。
解析:(1)设B车的质量为mB,碰后加速度大小为aB。根据牛顿第二定律有μmBg=mBaB ①
式中μ是汽车与路面间的动摩擦因数。
设碰撞后瞬间B车速度的大小为v′B,碰撞后滑行的距离为sB。由运动学公式有v′=2aBsB ②
联立①②式并利用题给数据得
v′B=3.0 m/s。 ③
(2)设A车的质量为mA,碰后加速度大小为aA。根据牛顿第二定律有
μmAg=mAaA ④
设碰撞后瞬间A车速度的大小为v′A,碰撞后滑行的距离为sA。由运动学公式有v′=2aAs A ⑤
设碰撞前的瞬间A车速度的大小为vA。两车在碰撞过程中动量守恒,有mAvA=mAv′A+mBv′B ⑥
联立③④⑤⑥式并利用题给数据得
vA≈4.3 m/s。 ⑦
答案:(1)3.0 m/s (2)4.3 m/s
[考法指导] 碰撞遵循的三条原则
(1)满足动量守恒定律
(2)机械能不增加,Ek1+Ek2≥Ek1′+Ek2′或+≥+
(3)速度要合理
①同向碰撞:碰撞前,后面的物体速度大;碰撞后,前面的物体速度大(或相等)。
②相向碰撞:碰撞后两物体的运动方向不可能都不改变。
考法2 爆炸问题
5.(多选)向空中发射一枚炮弹,不计空气阻力,当炮弹的速度v0恰好沿水平方向时,炮弹炸裂成a、b两块,若质量较大的a的速度方向仍沿原来的方向,则( )
A.b的速度方向一定与原来速度方向相反
B.从炸裂到落地的这段时间内,a飞行的水平距离一定比b的大
C.a、b一定同时到达水平地面
D.在炸裂过程中,a、b受到的爆炸力的大小一定相等
CD [炮弹炸裂前后动量守恒,选定v0的方向为正方向,则mv0=mava+mbvb,显然vb>0、vb<0、vb=0都有可能,A错误;vb>va、vb
6.(2018·全国卷Ⅰ)一质量为m的烟花弹获得动能E后,从地面竖直升空。当烟花弹上升的速度为零时,弹中火药爆炸将烟花弹炸为质量相等的两部分,两部分获得的动能之和也为E,且均沿竖直方向运动。爆炸时间极短,重力加速度大小为g,不计空气阻力和火药的质量。求:
(1)烟花弹从地面开始上升到弹中火药爆炸所经过的时间;
(2)爆炸后烟花弹向上运动的部分距地面的最大高度。
解析:(1)设烟花弹上升的初速度为v0,由题给条件有
E=mv ①
设烟花弹从地面开始上升到火药爆炸所用的时间为t,由运动学公式有
0-v0=-gt ②
联立①②式得
t=。 ③
(2)设爆炸时烟花弹距地面的高度为h1,由机械能守恒定律有
E=mgh1 ④
火药爆炸后,烟花弹上、下两部分均沿竖直方向运动,设爆炸后瞬间其速度分别为v1和v2。由题给条件和动量守恒定律有
mv+mv=E ⑤
mv1+mv2=0 ⑥
由⑥式知,烟花弹两部分的速度方向相反,向上运动部分做竖直上抛运动。设爆炸后烟花弹向上运动部分继续上升的高度为h2,由机械能守恒定律有
mv=mgh2 ⑦
联立④⑤⑥⑦式得,烟花弹向上运动部分距地面的最大高度为
h=h1+h2=。 ⑧
答案:见解析
[考法指导] 爆炸现象的三个规律
动量
守恒
由于爆炸是在极短的时间内完成的,爆炸物体间的相互作用力远远大于受到的外力,所以在爆炸过程中,系统的总动量守恒
动能
增加
在爆炸过程中,由于有其他形式的能量(如化学能)转化为动能,所以爆炸后系统的总动能增加
位置
不变
爆炸的时间极短,因而作用过程中,物体产生的位移很小,一般可忽略不计,可以认为爆炸后仍然从爆炸前的位置以新的动量开始运动
考法3 反冲问题
7.如图所示,质量为M的小船在静止水面上以速率v0向右匀速行驶,一质量为m的救生员站在船尾,相对小船静止。若救生员以相对水面速率v水平向左跃入水中,则救生员跃出后小船的速率为( )
A.v0+v B.v0-v
C.v0+(v0+v) D.v0+(v0-v)
C [以水面为参照系,根据动量守恒定律(M+m)v0=-mv+Mv1,可解得C正确。]
[考法指导] 对反冲运动的三点说明
作用
原理
反冲运动是系统内物体之间的作用力和反作用力产生的效果
动量
守恒
反冲运动中系统不受外力或内力远大于外力,所以反冲运动遵循动量守恒定律
机械能
增加
反冲运动中,由于有其他形式的能转化为机械能,所以系统的总机械能增加
知识点三| 动量和能量观点的综合应用
考法1 “滑块——弹簧”模型
1.如图所示,质量分别为1 kg、3 kg 的滑块A、B位于光滑水平面上,现使滑块A以4 m/s的速度向右运动,与左侧连有轻弹簧的滑块B发生碰撞。求二者在发生碰撞的过程中,
(1)弹簧的最大弹性势能;
(2)滑块B的最大速度。
解析:(1)当弹簧压缩最短时,弹簧的弹性势能最大,此时滑块A、B同速。系统动量守恒,以向右为正方向,
由动量守恒定律得mAv0=(mA+mB)v
解得v== m/s=1 m/s
弹簧的最大弹性势能即滑块A、B损失的动能
Epm=mAv-(mA+mB)v2=6 J。
(2)当弹簧恢复原长时,滑块B获得最大速度,
由动量守恒定律和能量守恒定律得mAv0=mAvA+mBvm
mAv=mBv+mAv,解得vm=2 m/s,向右。
答案:(1)6 J (2)2 m/s,向右
[考法指导] “滑块——弹簧”模型四点注意
(1)在能量方面,由于弹簧的形变会具有弹性势能,系统的总动能将发生变化,若系统所受的外力和除弹簧弹力以外的内力不做功,系统机械能守恒。
(2)在动量方面,系统动量守恒。
(3)弹簧处于最长(最短)状态时两物体速度相等,弹性势能最大,系统满足动量守恒,机械能守恒。
(4)弹簧处于原长时,弹性势能为零。
考法2 “滑块——平板”模型
2.(2019·恩施模拟)如图所示,一长木板位于光滑水平面上,长木板的左端固定一挡板,木板和挡板的总质量为M=3.0 kg,木板的长度为L=1.5 m。在木板右端有一小物块,其质量m=1.0 kg,小物块与木板间的动摩擦因数μ=0.10,它们都处于静止状态。现令小物块以初速度v0沿木板向左滑动,重力加速度g取10 m/s2。
(1)若小物块刚好能运动到左端挡板处,求v0的大小;
(2)若初速度v0=3 m/s,小物块与挡板相撞后,恰好能回到右端而不脱离木板,求碰撞过程中损失的机械能。
解析:(1)设木板和物块最后共同的速度为v
由动量守恒定律得
mv0=(m+M)v
对木板和物块系统,由功能关系得
μmgL=mv-(m+M)v2
由以上两式解得
v0==2 m/s。
(2)同样由动量守恒定律可知,木板和物块最后也要达到共同速度v1
mv0=(M+m)v1
设碰撞过程中损失的机械能为ΔE,则
对木板和物块系统的整个运动过程,由功能关系有
μmg·2L+ΔE=mv-(m+M)v
由以上各式解得
ΔE=-2μmgL
代入数据可得ΔE=0.375 J。
答案:(1)2 m/s (2)0.375 J
[考法指导] “滑块——平板”模型解题思路
(1)应用系统的动量守恒。
(2)在涉及滑块或平板的时间时,优先考虑用动量定理。
(3)在涉及滑块或平板的位移时,优先考虑用动能定理。
(4)在涉及滑块的相对位移时,优先考虑用系统的能量守恒。
(5)滑块恰好不滑动时,滑块与平板达到共同速度。
考法3 “子弹打木块”模型
3.(2019·黄石模拟)如图所示,一质量m1=0.45 kg的平顶小车静止在光滑的水平轨道上。质量m2=0.5 kg的小物块(可视为质点)静止在车顶的右端。一质量为m0=0.05 kg的子弹以水平速度v0=100 m/s射中小车左端并留在车中,最终小物块相对地面以2 m/s的速度滑离小车。已知子弹与小车的作用时间极短,小物块与车顶面的动摩擦因数μ=0.8,认为最大静摩擦力等于滑动摩擦力,g取10 m/s2,求:
(1)子弹相对小车静止时小车速度的大小;
(2)小车的长度L。
解析:(1)子弹进入小车的过程中,子弹与小车组成的系统动量守恒,由动量守恒定律得m0v0=(m0+m1)v1
解得v1=10 m/s。
(2)三物体组成的系统动量守恒,由动量守恒定律得
(m0+m1)v1=(m0+m1)v2+m2v3
解得v2=8 m/s
由能量守恒可得
(m0+m1)v=μm2gL+(m0+m1)v+m2v
解得L=2 m。
答案:(1)10 m/s (2)2 m
[考法指导] “子弹打木块”模型特点
(1)当子弹和木块的速度相等时木块的速度最大,两者的相对位移(子弹射入木块的深度)取得极值。
(2)系统的动量守恒,但机械能不守恒,摩擦力与两者相对位移的乘积等于系统减少的机械能。
(3)根据能量守恒,系统损失的动能ΔEk= Ek0,可以看出,子弹的质量越小,木块的质量越大,动能损失越多。
第2节 动量守恒定律及其应用
知识点一| 动量守恒定律的理解及应用
1.动量守恒的条件
(1)系统不受外力或所受外力之和为零时,系统的动量守恒。
(2)系统所受外力之和不为零,但当内力远大于外力时系统动量近似守恒。
(3)系统所受外力之和不为零,但在某个方向上所受合外力为零或不受外力,或外力可以忽略,则在这个方向上,系统动量守恒。
2.动量守恒定律的内容
如果一个系统不受外力,或者所受外力的矢量和为零,这个系统的总动量保持不变。
3.动量守恒的数学表达式
(1)p=p′(系统相互作用前总动量p等于相互作用后总动量p′)。
(2)Δp=0(系统总动量变化为零)。
(3)Δp1=-Δp2(相互作用的两个物体组成的系统,两物体动量增量大小相等,方向相反)。
(1)系统所受合外力的冲量为零,则系统动量一定守恒。 (√)
(2)动量守恒是指系统在初、末状态时的动量相等。 (×)
(3)物体相互作用时动量守恒,但机械能不一定守恒。 (√)
动量守恒定律的“五性”
矢量性
动量守恒定律的表达式为矢量方程,解题应选取统一的正方向
相对性
各物体的速度必须是相对同一参考系的速度(没有特殊说明要选地球这个参考系)。如果题设条件中各物体的速度不是相对同一参考系时,必须转换成相对同一参考系的速度
同时性
动量是一个瞬时量,表达式中的p1、p2…必须是系统中各物体在相互作用前同一时刻的动量,p′1、p′2…必须是系统中各物体在相互作用后同一时刻的动量,不同时刻的动量不能相加
系统性
研究的对象是相互作用的两个或多个物体组成的系统,而不是其中的一个物体,更不能题中有几个物体就选几个物体
普适性
动量守恒定律不仅适用于低速宏观物体组成的系统,还适用于接近光速运动的微观粒子组成的系统
[典例] 两磁铁各放在一辆小车上,小车能在水平面上无摩擦地沿同一直线运动。已知甲车和磁铁的总质量为0.5 kg,乙车和磁铁的总质量为1.0 kg。两磁铁的N极相对,推动一下,使两车相向运动。某时刻甲的速率为2 m/s,乙的速率为3 m/s,方向与甲相反。两车运动过程中始终未相碰。则:
(1)两车最近时,乙的速度为多大?
(2)甲车开始反向运动时,乙的速度为多大?
解析:(1)两车相距最近时,两车的速度相同,设该速度为v,取乙车的速度方向为正方向。由动量守恒定律得m乙v乙-m甲v甲=(m甲+m乙)v,所以两车最近时,乙车的速度为v== m/s= m/s≈1.33 m/s。
(2)甲车开始反向时,其速度为0,设此时乙车的速度为v乙′,由动量守恒定律得m乙v乙-m甲v甲=m乙v乙′,得v乙′== m/s=2 m/s。
答案:(1)1.33 m/s (2)2 m/s
应用动量守恒定律的解题步骤
(1)明确研究对象,确定系统的组成(系统包括哪几个物体及研究的过程)。
(2)进行受力分析,判断系统动量是否守恒(或某一方向上是否守恒)。
(3)规定正方向,确定初、末状态动量。
(4)由动量守恒定律列出方程。
(5)代入数据,求出结果,必要时讨论说明。
考法1 动量守恒的判断及应用
1.(多选)如图所示,A、B两物体质量之比mA∶mB=3∶2,原来静止在平板小车C上,A、B间有一根被压缩的弹簧,地面光滑,当弹簧突然释放后,则( )
A.若A、B与平板车上表面间的动摩擦因数相同,A、B组成系统的动量守恒
B.若A、B与平板车上表面间的动摩擦因数相同,A、B、C组成系统的动量守恒
C.若A、B所受的摩擦力大小相等,A、B组成系统的动量守恒
D.若A、B所受的摩擦力大小相等,A、B、C组成系统的动量守恒
BCD [如果A、B与平板车上表面间的动摩擦因数相同,弹簧释放后A、B分别相对小车向左、向右滑动,它们所受的滑动摩擦力FA向右,FB向左,由于mA∶mB=3∶2,所以FA∶FB=3∶2,则A、B组成系统所受的外力之和不为零,故其动量不守恒,A选项错误。对A、B、C组成的系统,A、B与C间的摩擦力为内力,该系统所受的外力为竖直方向的重力、支持力,它们的合力为零,故该系统的动量守恒,B、D选项正确。若A、B所受摩擦力大小相等,则A、B组成的系统受到的外力之和为零,故其动量守恒,C选项正确。]
2.(2017·全国卷Ⅰ)将质量为1.00 kg的模型火箭点火升空,50 g燃烧的燃气以大小为600 m/s的速度从火箭喷口在很短时间内喷出。在燃气喷出后的瞬间,火箭的动量大小为(喷出过程中重力和空气阻力可忽略)( )
A.30 kg·m/s B.5.7×102 kg·m/s
C.6.0×102 kg·m/s D.6.3×102 kg·m/s
A [由于喷气时间短,且不计重力和空气阻力,则火箭和燃气组成的系统动量守恒。
燃气的动量p1=mv=0.05×600 kg·m/s=30 kg·m/s,
则火箭的动量
p2=p1=30 kg·m/s,选项A正确。]
3.如图在光滑水平面上叠放A、B两物体,其间有摩擦,mA=2 kg,mB=1 kg,速度的大小均为v0=10 m/s,设A板足够长,当观察到B做加速运动时,A的可能速度为( )
A.2 m/s B.3 m/s
C.4 m/s D.5 m/s
C [因摩擦力作用,A、B必先做减速运动,因初动量总和为(2×10-1×10) kg·m/s=10 kg·m/s,故必是B先减速为零,后反向加速,最后与A一起向右运动,整个过程中,A一直减速。当B速度为零时,A速度为v1,由动量守恒定律得v1==5 m/s,A、B最终速度为v2= m/s≈3.3 m/s。可见,B做加速运动时,A的速度范围是3.3 m/s
4.如图所示,甲、乙两船的总质量(包括船、人和货物)分别为10m、12m,两船沿同一直线同一方向运动,速度分别为2v0、v0。为避免两船相撞,乙船上的人将一质量为m的货物沿水平方向抛向甲船,甲船上的人将货物接住,求抛出货物的最小速度。(不计水的阻力和货物在两船之间的运动过程)
解析:设乙船上的人抛出货物的最小速度大小为vmin,抛出货物后乙船的速度为v乙。甲船上的人接到货物后甲船的速度为v甲,规定向右的方向为正方向。
对乙船和货物的作用过程,由动量守恒定律得
12mv0=11mv乙-mvmin ①
对货物和甲船的作用过程,同理有
10m×2v0-mvmin=11mv甲 ②
为避免两船相撞应有v甲=v乙 ③
联立①②③式得vmin=4v0。
答案:4v0
知识点二| 碰撞、反冲和爆炸问题
1.碰撞
(1)概念:碰撞是指物体间的相互作用持续时间很短,而物体间相互作用力很大的现象。
(2)特点:在碰撞现象中,一般都满足内力远大于外力,可认为相互碰撞的物体组成的系统动量守恒。
(3)分类:
动量是否守恒
机械能是否守恒
弹性碰撞
守恒
守恒
非完全弹性碰撞
守恒
有损失
完全非弹性碰撞
守恒
损失最大
2.反冲运动
(1)物体在内力作用下分裂为两个不同部分,并且这两部分向相反方向运动的现象。
(2)反冲运动中,相互作用力一般较大,通常可以用动量守恒定律来处理。
3.爆炸问题
(1)爆炸与碰撞类似,物体间的相互作用力很大,且远大于系统所受的外力,所以系统动量守恒。
(2)爆炸过程中位移很小,可忽略不计,作用后从相互作用前的位置以新的动量开始运动。
(1)在爆炸现象中,动量严格守恒。 (×)
(2)在碰撞问题中,机械能也一定守恒。 (×)
(3)反冲现象中动量守恒、动能增加。 (√)
1.弹性碰撞后速度的求解
根据动量守恒和机械能守恒
解得v1′=
v2′=
2.弹性碰撞分析讨论
当碰前物体2的速度不为零时,若m1=m2,则v1′=v2,v2′=v1,即两物体交换速度。
当碰前物体2的速度为零时,v2=0,则:
v1′=,v2′=,
(1)m1=m2时,v1′=0,v2′=v1,碰撞后两物体交换速度。
(2)m1>m2时,v1′>0,v2′>0,碰撞后两物体沿同方向运动。
(3)m1
[典例] (2019·揭阳检测)如图所示,水平面上相距为L=5 m的P、Q两点分别固定一竖直挡板,一质量为M=2 kg的小物块B静止在O点,OP段光滑,OQ段粗糙且长度为d=3 m。一质量为m=1 kg的小物块A以v0=6 m/s的初速度从OP段的某点向右运动,并与B发生弹性碰撞。两物块与OQ段的动摩擦因数均为μ=0.2,两物块与挡板的碰撞时间极短且均不损失机械能。重力加速度g取10 m/s2,求:
(1)A与B在O点碰后瞬间各自的速度;
(2)两物块各自停止运动时的时间间隔。
【思路点拨】 (1)A、B发生弹性碰撞,则碰撞过程中系统动量、动能均守恒。
(2)两物块与挡板碰撞时间极短且均不损失机械能,说明两物块与挡板碰撞后返回的速度与碰前速度大小相等。
(3)注意判断A与B能否再次发生碰撞。
解析:(1)设A、B在O点碰后的速度分别为v1和v2,以向右为正方向。
由动量守恒定律得:mv0=mv1+Mv2
碰撞前后动能相等,则得:
mv=mv+Mv
解得:v1=-2 m/s,方向向左,v2=4 m/s,方向向右。
(2)碰后,两物块在OQ段减速时加速度大小均为:
a=μg=2 m/s2
B经过t1时间与Q处挡板相碰,由运动学公式:
v2t1-at=d
得:t1=1 s(t1=3 s舍去)
与挡板碰后,B的速度大小
v3=v2-at1=2 m/s
反弹后减速时间t2==1 s
反弹后经过位移s1==1 m,B停止运动
物块A与P处挡板碰后,以v4=2 m/s的速度滑上O点,经过s2==1 m停止
所以最终A、B的距离s=d-s1-s2=1 m
两者不会碰第二次
在A、B碰后,A运动总时间
tA=+=3 s
B运动总时间tB=t1+t2=2 s
则时间间隔ΔtAB=tA-tB=1 s。
答案:(1)2 m/s,方向向左 4 m/s,方向向右 (2)1 s
碰撞问题解题策略
(1)抓住碰撞的特点和不同种类碰撞满足的条件,列出相应方程求解。
(2)可熟记一些公式,例如“一动一静”模型中,两物体发生弹性正碰后的速度满足:
v1′=v1、v2′=v1。
(3)熟记弹性正碰的一些结论,例如,当两球质量相等时,两球碰撞后交换速度。当m1≫m2,且v2=0时,碰后质量大的速率不变,质量小的速率为2v1。当m1≪m2,且v2=0时,碰后质量小的球原速率反弹。
考法1 碰撞问题
1.两球A、B在光滑水平面上沿同一直线、同一方向运动,mA=1 kg,mB=2 kg,vA=6 m/s,vB=2 m/s。当A追上B并发生碰撞后,两球A、B速度的可能值是( )
A.vA′=5 m/s,vB′=2.5 m/s
B.vA′=2 m/s,vB′=4 m/s
C.vA′=-4 m/s,vB′=7 m/s
D.vA′=7 m/s,vB′=1.5 m/s
B [虽然题中四个选项均满足动量守恒定律,但A、D两项中,碰后A的速度vA′大于B的速度vB′,必然要发生第二次碰撞,不符合实际;C项中,两球碰后的总动能Ek′=mAv′+mBv′=57 J,大于碰前的总动能Ek=22 J,违背了能量守恒定律;而B项既符合实际情况,也不违背能量守恒定律,故B项正确。]
2.(多选)(2019·银川模拟)A、B两球沿一直线运动并发生正碰,如图所示为两球碰撞前、后的位移随时间变化的图象,a、b分别为A、B两球碰前的位移随时间变化的图线,c为碰撞后两球共同运动的位移随时间变化的图线,若A球质量是m=2 kg,则由图象判断下列结论正确的是( )
A.碰撞前、后A球的动量变化量为4 kg·m/s
B.碰撞时A球对B球所施的冲量为-4 N·s
C.A、B两球碰撞前的总动量为3 kg·m/s
D.碰撞中A、B两球组成的系统损失的动能为10 J
ABD [根据题图可知,碰前A球的速度vA=-3 m/s,碰前B球的速度vB=2 m/s,碰后A、B两球共同的速度v=-1 m/s,故碰撞前、后A球的动量变化量为ΔpA=mv-mvA=4 kg·m/s,选项A正确;A球的动量变化量为4 kg·m/s,碰撞过程中动量守恒,B球的动量变化量为-4 kg·m/s,根据动量定理,碰撞过程中A球对B球所施的冲量为-4 N·s,选项B正确;由于碰撞过程中动量守恒,有mvA+mBvB=(m+mB)v,解得mB= kg,故碰撞过程中A、B两球组成的系统损失的动能为ΔEk=mv+mBv-(m+mB)v2=10 J,选项D正确;A、B两球碰撞前的总动量为p=mvA+mBvB=(m+mB)v=- kg·m/s,选项C错误。]
3.如图所示,在光滑水平面上静置有质量均为m的木板AB和滑块CD,木板AB上表面粗糙,滑块CD上表面是光滑的圆弧,其始端D点切线水平且在木板AB上表面内,它们紧靠在一起。一可视为质点的物块P,质量也为m,从木板AB的右端以初速度v0滑上木板AB,过B点时速度为,又滑上滑块CD,最终恰好能滑到滑块CD圆弧的最高点C处,求:
(1)物块滑到B处时木板的速度vAB;
(2)滑块CD圆弧的半径R。
解析:(1)物块由A点到B点,取向左为正方向,vB=
由动量守恒得mv0=mvB+2mvAB,则vAB=。
(2)物块由D点到C点,滑块CD与物块P组成的系统动量守恒,机械能守恒,则m·+m·=2mv共
m+m=×2mv+mgR
解得R=。
答案:(1) (2)
4. (2018·全国卷Ⅱ)汽车A在水平冰雪路面上行驶。驾驶员发现其正前方停有汽车B,立即采取制动措施,但仍然撞上了汽车B。两车碰撞时和两车都完全停止后的位置如图所示,碰撞后B车向前滑动了4.5 m,A车向前滑动了2.0 m。已知A和B的质量分别为2.0×103 kg和1.5×103 kg,两车与该冰雪路面间的动摩擦因数均为0.10,两车碰撞时间极短,在碰撞后车轮均没有滚动,重力加速度大小g=10 m/s2。求:
(1)碰撞后的瞬间B车速度的大小;
(2)碰撞前的瞬间A车速度的大小。
解析:(1)设B车的质量为mB,碰后加速度大小为aB。根据牛顿第二定律有μmBg=mBaB ①
式中μ是汽车与路面间的动摩擦因数。
设碰撞后瞬间B车速度的大小为v′B,碰撞后滑行的距离为sB。由运动学公式有v′=2aBsB ②
联立①②式并利用题给数据得
v′B=3.0 m/s。 ③
(2)设A车的质量为mA,碰后加速度大小为aA。根据牛顿第二定律有
μmAg=mAaA ④
设碰撞后瞬间A车速度的大小为v′A,碰撞后滑行的距离为sA。由运动学公式有v′=2aAs A ⑤
设碰撞前的瞬间A车速度的大小为vA。两车在碰撞过程中动量守恒,有mAvA=mAv′A+mBv′B ⑥
联立③④⑤⑥式并利用题给数据得
vA≈4.3 m/s。 ⑦
答案:(1)3.0 m/s (2)4.3 m/s
[考法指导] 碰撞遵循的三条原则
(1)满足动量守恒定律
(2)机械能不增加,Ek1+Ek2≥Ek1′+Ek2′或+≥+
(3)速度要合理
①同向碰撞:碰撞前,后面的物体速度大;碰撞后,前面的物体速度大(或相等)。
②相向碰撞:碰撞后两物体的运动方向不可能都不改变。
考法2 爆炸问题
5.(多选)向空中发射一枚炮弹,不计空气阻力,当炮弹的速度v0恰好沿水平方向时,炮弹炸裂成a、b两块,若质量较大的a的速度方向仍沿原来的方向,则( )
A.b的速度方向一定与原来速度方向相反
B.从炸裂到落地的这段时间内,a飞行的水平距离一定比b的大
C.a、b一定同时到达水平地面
D.在炸裂过程中,a、b受到的爆炸力的大小一定相等
CD [炮弹炸裂前后动量守恒,选定v0的方向为正方向,则mv0=mava+mbvb,显然vb>0、vb<0、vb=0都有可能,A错误;vb>va、vb
(1)烟花弹从地面开始上升到弹中火药爆炸所经过的时间;
(2)爆炸后烟花弹向上运动的部分距地面的最大高度。
解析:(1)设烟花弹上升的初速度为v0,由题给条件有
E=mv ①
设烟花弹从地面开始上升到火药爆炸所用的时间为t,由运动学公式有
0-v0=-gt ②
联立①②式得
t=。 ③
(2)设爆炸时烟花弹距地面的高度为h1,由机械能守恒定律有
E=mgh1 ④
火药爆炸后,烟花弹上、下两部分均沿竖直方向运动,设爆炸后瞬间其速度分别为v1和v2。由题给条件和动量守恒定律有
mv+mv=E ⑤
mv1+mv2=0 ⑥
由⑥式知,烟花弹两部分的速度方向相反,向上运动部分做竖直上抛运动。设爆炸后烟花弹向上运动部分继续上升的高度为h2,由机械能守恒定律有
mv=mgh2 ⑦
联立④⑤⑥⑦式得,烟花弹向上运动部分距地面的最大高度为
h=h1+h2=。 ⑧
答案:见解析
[考法指导] 爆炸现象的三个规律
动量
守恒
由于爆炸是在极短的时间内完成的,爆炸物体间的相互作用力远远大于受到的外力,所以在爆炸过程中,系统的总动量守恒
动能
增加
在爆炸过程中,由于有其他形式的能量(如化学能)转化为动能,所以爆炸后系统的总动能增加
位置
不变
爆炸的时间极短,因而作用过程中,物体产生的位移很小,一般可忽略不计,可以认为爆炸后仍然从爆炸前的位置以新的动量开始运动
考法3 反冲问题
7.如图所示,质量为M的小船在静止水面上以速率v0向右匀速行驶,一质量为m的救生员站在船尾,相对小船静止。若救生员以相对水面速率v水平向左跃入水中,则救生员跃出后小船的速率为( )
A.v0+v B.v0-v
C.v0+(v0+v) D.v0+(v0-v)
C [以水面为参照系,根据动量守恒定律(M+m)v0=-mv+Mv1,可解得C正确。]
[考法指导] 对反冲运动的三点说明
作用
原理
反冲运动是系统内物体之间的作用力和反作用力产生的效果
动量
守恒
反冲运动中系统不受外力或内力远大于外力,所以反冲运动遵循动量守恒定律
机械能
增加
反冲运动中,由于有其他形式的能转化为机械能,所以系统的总机械能增加
知识点三| 动量和能量观点的综合应用
考法1 “滑块——弹簧”模型
1.如图所示,质量分别为1 kg、3 kg 的滑块A、B位于光滑水平面上,现使滑块A以4 m/s的速度向右运动,与左侧连有轻弹簧的滑块B发生碰撞。求二者在发生碰撞的过程中,
(1)弹簧的最大弹性势能;
(2)滑块B的最大速度。
解析:(1)当弹簧压缩最短时,弹簧的弹性势能最大,此时滑块A、B同速。系统动量守恒,以向右为正方向,
由动量守恒定律得mAv0=(mA+mB)v
解得v== m/s=1 m/s
弹簧的最大弹性势能即滑块A、B损失的动能
Epm=mAv-(mA+mB)v2=6 J。
(2)当弹簧恢复原长时,滑块B获得最大速度,
由动量守恒定律和能量守恒定律得mAv0=mAvA+mBvm
mAv=mBv+mAv,解得vm=2 m/s,向右。
答案:(1)6 J (2)2 m/s,向右
[考法指导] “滑块——弹簧”模型四点注意
(1)在能量方面,由于弹簧的形变会具有弹性势能,系统的总动能将发生变化,若系统所受的外力和除弹簧弹力以外的内力不做功,系统机械能守恒。
(2)在动量方面,系统动量守恒。
(3)弹簧处于最长(最短)状态时两物体速度相等,弹性势能最大,系统满足动量守恒,机械能守恒。
(4)弹簧处于原长时,弹性势能为零。
考法2 “滑块——平板”模型
2.(2019·恩施模拟)如图所示,一长木板位于光滑水平面上,长木板的左端固定一挡板,木板和挡板的总质量为M=3.0 kg,木板的长度为L=1.5 m。在木板右端有一小物块,其质量m=1.0 kg,小物块与木板间的动摩擦因数μ=0.10,它们都处于静止状态。现令小物块以初速度v0沿木板向左滑动,重力加速度g取10 m/s2。
(1)若小物块刚好能运动到左端挡板处,求v0的大小;
(2)若初速度v0=3 m/s,小物块与挡板相撞后,恰好能回到右端而不脱离木板,求碰撞过程中损失的机械能。
解析:(1)设木板和物块最后共同的速度为v
由动量守恒定律得
mv0=(m+M)v
对木板和物块系统,由功能关系得
μmgL=mv-(m+M)v2
由以上两式解得
v0==2 m/s。
(2)同样由动量守恒定律可知,木板和物块最后也要达到共同速度v1
mv0=(M+m)v1
设碰撞过程中损失的机械能为ΔE,则
对木板和物块系统的整个运动过程,由功能关系有
μmg·2L+ΔE=mv-(m+M)v
由以上各式解得
ΔE=-2μmgL
代入数据可得ΔE=0.375 J。
答案:(1)2 m/s (2)0.375 J
[考法指导] “滑块——平板”模型解题思路
(1)应用系统的动量守恒。
(2)在涉及滑块或平板的时间时,优先考虑用动量定理。
(3)在涉及滑块或平板的位移时,优先考虑用动能定理。
(4)在涉及滑块的相对位移时,优先考虑用系统的能量守恒。
(5)滑块恰好不滑动时,滑块与平板达到共同速度。
考法3 “子弹打木块”模型
3.(2019·黄石模拟)如图所示,一质量m1=0.45 kg的平顶小车静止在光滑的水平轨道上。质量m2=0.5 kg的小物块(可视为质点)静止在车顶的右端。一质量为m0=0.05 kg的子弹以水平速度v0=100 m/s射中小车左端并留在车中,最终小物块相对地面以2 m/s的速度滑离小车。已知子弹与小车的作用时间极短,小物块与车顶面的动摩擦因数μ=0.8,认为最大静摩擦力等于滑动摩擦力,g取10 m/s2,求:
(1)子弹相对小车静止时小车速度的大小;
(2)小车的长度L。
解析:(1)子弹进入小车的过程中,子弹与小车组成的系统动量守恒,由动量守恒定律得m0v0=(m0+m1)v1
解得v1=10 m/s。
(2)三物体组成的系统动量守恒,由动量守恒定律得
(m0+m1)v1=(m0+m1)v2+m2v3
解得v2=8 m/s
由能量守恒可得
(m0+m1)v=μm2gL+(m0+m1)v+m2v
解得L=2 m。
答案:(1)10 m/s (2)2 m
[考法指导] “子弹打木块”模型特点
(1)当子弹和木块的速度相等时木块的速度最大,两者的相对位移(子弹射入木块的深度)取得极值。
(2)系统的动量守恒,但机械能不守恒,摩擦力与两者相对位移的乘积等于系统减少的机械能。
(3)根据能量守恒,系统损失的动能ΔEk= Ek0,可以看出,子弹的质量越小,木块的质量越大,动能损失越多。
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