物理选择性必修 第一册3 动量守恒定律导学案

这是一份物理选择性必修 第一册3 动量守恒定律导学案，共14页。
         弹簧—小球模型　滑块—斜(曲)面模型 [学习目标]　1.进一步理解动量守恒定律、动能定理、能量守恒定律的内容及含义.2.会应用动量观点和能量观点分析这两类模型．一、弹簧—小球模型1．对两个(或两个以上)物体与弹簧组成的系统，在相互作用的过程中，若系统合外力为零，则满足动量守恒定律．2．在能量方面，由于弹簧发生形变，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．若还有其他外力和内力做功，这些力做功之和等于系统机械能的改变量．3．弹簧两端物体把弹簧拉伸至最长(或压缩至最短)时，两端的物体具有相同的速度，弹性势能最大．如系统每个物体除弹簧弹力外所受合力为零，当弹簧为自然长度时，系统内弹簧某一端的物体具有最大速度，此时弹性势能为零．如图1所示，光滑水平面上静止着一质量为m2的刚性小球，小球与水平轻质弹簧相连，另有一质量为m1的刚性小球以速度v0向右运动，并与弹簧发生相互作用，两球半径相同，求：图1(1)弹簧弹性势能的最大值；(2)弹簧第一次恢复原长时，m1、m2两球的速度大小．答案　(1)(2)　解析　(1)两球速度相同时，弹簧弹性势能最大．以v0的方向为正方向，由动量守恒定律得m1v0＝(m1＋m2)v由能量守恒得m1v02＝(m1＋m2)v2＋Epmax解得Epmax＝(2)从m1与弹簧接触到弹簧第一次恢复原长，整个过程两球相当于发生弹性碰撞，由动量守恒定律和能量守恒定律得：m1v0＝m1v1′＋m2v2′m1v02＝m1v1′2＋m2v2′2解得v1′＝v2′＝.如图2所示，用水平轻弹簧相连的质量均为2 kg的A、B两物块都以v＝6 m/s的速度在光滑水平地面上运动，弹簧处于原长，质量为4 kg的物块C静止在前方，B与C碰撞后二者粘在一起运动．在以后的运动中，求：图2(1)当弹簧的弹性势能最大时，物块A的速度多大？(2)弹簧弹性势能的最大值是多大？(3)A的速度有可能向左吗？为什么？答案　(1)3 m/s　(2)12 J　(3)见解析解析　(1)当A、B、C三者的速度相等时弹簧的弹性势能最大．由于A、B、C三者组成的系统动量守恒，以v的方向为正方向，有：(mA＋mB)v＝(mA＋mB＋mC)vA′解得vA′＝3 m/s.(2)B、C碰撞时B、C组成的系统动量守恒，设碰后瞬间B、C两者速度为v′，则：mBv＝(mB＋mC)v′解得：v′＝2 m/s设弹簧的弹性势能最大为Ep，根据能量守恒：Ep＝(mB＋mC)v′2＋mAv2－(mA＋mB＋mC)vA′2解得Ep＝12 J.(3)A、B、C组成的系统动量守恒mAv＋mBv＝mAvA＋(mB＋mC)vB设A的速度向左，有vA<0，vB>4 m/s则作用后A、B、C动能之和：Ek＝mAvA2＋(mB＋mC)vB2>(mB＋mC)vB2>48 J实际上系统的总机械能为：E＝Ep＋(mA＋mB＋mC)vA′2＝12 J＋36 J＝48 J根据能量守恒定律，Ek>E是不可能的，所以A不可能向左运动．二、滑块—斜(曲)面模型对于滑块—斜(曲)面模型，系统所受合力不为零，但常在水平方向上的合力为零，则在水平方向上系统动量守恒，再结合能量守恒列方程，联立求解．如图3所示，有一质量为m的小球，以速度v0滑上静置于光滑水平面上的光滑圆弧轨道．已知圆弧轨道的质量为2m，小球在上升过程中始终未能冲出圆弧轨道，重力加速度为g，求：图3(1)小球在圆弧轨道上能上升的最大高度；(用v0、g表示)(2)小球离开圆弧轨道时的速度大小．答案　(1)　(2)解析　(1)小球在圆弧轨道上上升到最高时两物体速度相同，系统在水平方向上动量守恒，规定v0的方向为正方向，有：mv0＝3mv，得v＝根据机械能守恒定律得：mv02＝×3mv2＋mgh解得：h＝(2)小球离开圆弧轨道时，根据动量守恒定律，则有：mv0＝mv1＋2mv2根据机械能守恒定律，则有：mv02＝mv12＋×2mv22联立以上两式可得：v1＝－v0，则小球离开圆弧轨道时的速度大小为.如图4，光滑冰面上静止放置一表面光滑的斜面体，斜面体右侧一蹲在滑板上的小孩和其面前的冰块均静止于冰面上．某时刻小孩将冰块以相对冰面3 m/s的速度向斜面体推出，冰块平滑地滑上斜面体，在斜面体上上升的最大高度为h＝0.3 m(h小于斜面体的高度)．已知小孩与滑板的总质量为m1＝30 kg，冰块的质量为m2＝10 kg，小孩与滑板始终无相对运动．取重力加速度的大小g＝10 m/s2.图4(1)求斜面体的质量；(2)通过计算判断，冰块与斜面体分离后能否追上小孩？答案　(1)20 kg　(2)不能解析　(1)选向左为正方向．冰块在斜面体上运动到最大高度时两者达到共同速度，设此共同速度为v，斜面体的质量为m3.由水平方向动量守恒定律和机械能守恒定律得m2v0＝(m2＋m3)vm2v02＝(m2＋m3)v2＋m2gh式中v0＝3 m/s为冰块推出时的速度．联立两式并代入题给数据得m3＝20 kg.(2)选向右为正方向，设小孩推出冰块后小孩的速度为v1，由动量守恒定律有m1v1－m2v0＝0，代入数据得v1＝1 m/s设冰块与斜面体分离后的速度分别为v2和v3，由动量守恒定律和机械能守恒定律有－m2v0＝m2v2＋m3v3.m2v02＝m2v22＋m3v32联立两式并代入数据得v2＝1 m/s由于冰块与斜面体分离后的速度与小孩推出冰块后的速度相同且处在后方，故冰块不能追上小孩.1.(滑块—斜(曲)面模型)如图5所示，在光滑的水平地面上停放着质量为m的装有圆弧形槽的小车．现有一质量也为m的小球以v0的水平速度沿与切线水平的槽口向小车滑去，不计一切摩擦，则(　　)图5A．在相互作用的过程中，小车和小球组成的系统总动量守恒B．小球从右侧离开车后，对地将向右做平抛运动C．小球从右侧离开车后，对地将做自由落体运动D．小球从右侧离开车后，小车的速度有可能大于v0答案　C解析　整个过程中系统水平方向动量守恒，竖直方向动量不守恒，故A错误；设小球离开小车时，小球的速度为v1，小车的速度为v2，整个过程中水平方向动量守恒：mv0＝mv1＋mv2，由机械能守恒定律得：mv02＝mv12＋mv22，联立解得v1＝0，v2＝v0，即小球与小车分离时二者交换速度，所以小球从小车右侧离开后对地将做自由落体运动，故B、D错误，C正确．2．(弹簧—小球模型)如图6，在光滑水平直轨道上有三个质量均为m的物块A、B、C.B的左侧固定一水平轻弹簧(弹簧左侧的挡板质量不计)．设A以速度v0向B运动，压缩弹簧；当A、B速度相等时，B与C恰好相碰并粘接在一起，然后继续运动．假设B和C碰撞过程时间极短，求从A开始压缩弹簧直至与弹簧分离的过程中，图6(1)整个系统损失的机械能；(2)弹簧被压缩到最短时的弹性势能．答案　(1)mv02　(2)mv02解析　A、B相互作用过程动量守恒、机械能也守恒，而B、C相碰粘接在一起时，动量守恒，机械能不守恒，系统产生的内能则为B、C相碰过程中损失的机械能．当A、B、C速度相等时，弹性势能最大．(1)从A压缩弹簧到A与B具有相同速度v1时，对A、B与弹簧组成的系统，以v0的方向为正方向，由动量守恒定律得mv0＝2mv1①此时B与C发生完全非弹性碰撞，设碰撞后瞬间的速度为v2，损失的机械能为ΔE.对B、C组成的系统，由动量守恒定律和能量守恒定律得mv1＝2mv2②mv12＝ΔE＋(2m)v22③联立①②③式得ΔE＝mv02.④(2)由②式可知v2<v1，A将继续压缩弹簧，直至A、B、C三者速度相同，设此速度为v3，此时弹簧被压缩至最短，其弹性势能为Ep.由动量守恒定律和能量守恒定律得mv0＝3mv3⑤mv02－ΔE＝(3m)v32＋Ep⑥联立④⑤⑥式得Ep＝mv02.1.如图1所示，位于光滑水平桌面上的小滑块P和Q质量相等，Q与水平轻质弹簧相连．设Q静止，P以某一初速度向Q运动并与弹簧发生碰撞．在整个碰撞过程中，弹簧具有的最大弹性势能等于(　　)图1A．P的初动能   B．P的初动能的C．P的初动能的   D．P的初动能的答案　B解析　把小滑块P和Q以及弹簧看成一个系统，系统的动量守恒．在整个碰撞过程中，当小滑块P和Q的速度相等时，弹簧的弹性势能最大．设小滑块P的初速度为v0，两滑块的质量均为m，以v0的方向为正方向，则mv0＝2mv，得v＝，所以弹簧具有的最大弹性势能Epm＝mv02－×2mv2＝mv02＝Ek0，故B正确．2.如图2所示，水平弹簧的一端固定在竖直墙上，质量为m的光滑弧形槽静止在光滑水平面上，底部与水平面平滑连接，一个质量也为m的小球从槽上h高处开始自由下滑(　　)图2A．在以后的运动过程中，小球和槽组成的系统动量始终守恒B．在下滑过程中小球和槽之间的相互作用力始终不做功C．被弹簧反弹后，小球和槽都做速率不变的直线运动D．被弹簧反弹后，小球和槽的机械能守恒，小球能回到槽上h高处答案　C解析　小球从弧形槽上下滑过程中，小球和槽组成的系统在水平方向上动量守恒，但是，当小球接触弹簧的过程中，弹簧会对小球施加一个水平向左的外力，故在此运动过程中小球和槽组成的系统动量不守恒，A错误；小球在弧形槽中下滑过程中和弧形槽之间产生了一个垂直于接触面的弹力，而且在弹力水平分力的方向上两者都发生了位移，故小球和弧形槽之间的相互作用力会做功，B错误；小球下滑时，与光滑弧形槽在水平方向上动量守恒，所以小球离开光滑弧形槽时，两者速度大小相等、方向相反，因此，小球被弹簧反弹后，速度与光滑弧形槽速度相等，且都做匀速直线运动，小球不能追上光滑弧形槽，C正确，D错误．3.如图3所示，与水平轻弹簧相连的物体A停放在光滑的水平面上，物体B沿水平方向向右运动，跟轻弹簧相碰．在B跟弹簧相碰后，对于A、B和轻弹簧组成的系统，下列说法中正确的是(　　)图3①弹簧压缩量最大时，A、B的速度相同②弹簧压缩量最大时，A、B的动能之和最小③弹簧被压缩的过程中系统的总动量不断减少④物体A的速度最大时，弹簧的弹性势能为零A．①②③   B．①②④C．②③④   D．①③④答案　B解析　物体B与弹簧接触时，弹簧发生形变，产生弹力，可知B做减速运动，A做加速运动，当两者速度相等时，弹簧的压缩量最大，①正确．A、B和弹簧组成的系统能量守恒，弹簧压缩量最大时，弹性势能最大，此时A、B的动能之和最小，②正确．弹簧在压缩的过程中，A、B和弹簧组成的系统动量守恒，③错误．当两者速度相等时，弹簧的压缩量最大，然后A继续加速，B继续减速，弹簧逐渐恢复原长，当弹簧恢复原长时，A的速度最大，此时弹簧的弹性势能为零，④正确，故选B.4．A、B两小球静止在光滑水平面上，用水平轻弹簧相连接，A、B两球的质量分别为m和M(m<M)．若使A球获得瞬时速度v(如图4甲)，弹簧压缩到最短时的长度为L1；若使B球获得瞬时速度v(如图乙)，弹簧压缩到最短时的长度为L2，则L1与L2的大小关系为(　　)图4A．L1>L2  B．L1<L2C．L1＝L2   D．不能确定答案　C解析　当弹簧压缩到最短时，两球的速度相同，对题图甲取A的初速度方向为正方向，由动量守恒定律得：mv＝(m＋M)v′由机械能守恒定律得：Ep＝mv2－(m＋M)v′2联立解得弹簧压缩到最短时Ep＝同理：对题图乙取B的初速度方向为正方向，当弹簧压缩到最短时有：Ep＝故弹性势能相等，则有：L1＝L2，故A、B、D错误，C正确．5.(2021·湖南长沙长郡中学高二月考)带有光滑圆弧轨道、质量为M的小车静止在光滑水平面上，如图5所示，一质量也为M的小球以速度v0水平冲上小车，到达某一高度后，小球又返回车的左端．则(重力加速度大小为g)(　　)图5A．小球以后将向左做平抛运动B．小车先做加速运动，后做减速运动C．此过程小球对小车做的功为Mv02D．小球在圆弧轨道上上升的最大高度为答案　C解析　从小球冲上小车到离开小车，系统在水平方向上动量守恒，由于没有摩擦力做功，系统机械能不变，此过程类似于弹性碰撞，作用后两者交换速度，即小球返回车的左端时速度变为零，将做自由落体运动，由动能定理知小球对小车做的功为Mv02，故C正确，A错误；小球沿圆弧轨道运动的过程中，小车的速度一直增大，故B错误；小球上升到最高点时与小车相对静止，有共同速度v′，小球与小车组成的系统在水平方向上动量守恒，由动量守恒定律和机械能守恒定律有Mv0＝2Mv′，Mv02＝×2Mv′2＋Mgh，解得h＝，故D错误．6.在光滑的水平冰面上，放置一个截面为四分之一圆的半径足够大的光滑的可自由移动的曲面，一个坐在冰车上的小孩手扶小球静止在冰面上．某时刻小孩将小球以v0＝2 m/s的速度向曲面推出(如图6所示)．已知小孩和冰车的总质量为m1＝40 kg，小球质量为m2＝2 kg，曲面质量为m3＝10 kg.试求小孩将球推出后还能否再接到球，若能，则求出再接到球后人的速度大小，若不能，则求出球再滑回水平冰面上的速度大小．图6答案　能　 m/s解析　以小球被推出的方向为正方向，人推球过程，水平方向动量守恒：0＝m2v0＋m1v1得v1＝－0.1 m/s球和曲面相互作用时，水平方向动量守恒：m2v0＝m2v2＋m3v3由机械能守恒定律得：m2v02＝m2v22＋m3v32得v2＝－ m/s|v2|>|v1|，所以人能再接住球，人接球的过程，由动量守恒定律得：m1v1＋m2v2＝(m1＋m2)v共，得v共＝－ m/s，负号表示方向向右．7.(2020·扬州十一中高二下期中)如图7所示的三个小球的质量都为m，B、C两球用水平轻弹簧连接后静止放在光滑的水平面上，A球以速度v0沿B、C两球球心的连线向B球运动，碰后A、B两球粘在一起．问：图7(1)A、B两球刚刚粘合在一起的速度是多大？(2)弹簧压缩至最短时三个小球的速度是多大？(3)弹簧的最大弹性势能是多少？答案　(1)　(2)　(3)mv02解析　(1)在A、B碰撞的过程中弹簧的压缩量是极其微小的，产生的弹力可完全忽略，即C球并没有参与A、B的碰撞，因此A、B两球组成的系统所受合外力为零，动量守恒，以v0的方向为正方向，则有：mv0＝2mv1，解得v1＝.(2)粘合在一起的A、B两球向右运动，压缩弹簧，由于弹力的作用，C球加速，速度由零开始增大，而A、B两球减速，速度逐渐减小，当三球相对静止时弹簧最短，此时三球速度相等．在这一过程中，三球和轻弹簧构成的系统动量守恒，以A、B两球刚刚粘合在一起的速度方向为正方向，有：2mv1＝3mv2，解得v2＝v1＝.(3)当弹簧被压缩至最短时，弹性势能最大Epm＝×2mv12－×3mv22＝mv02.8．如图8所示，静止放置在光滑水平面上的A、B、C三个滑块，滑块A、B间通过一水平轻弹簧相连，滑块A左侧紧靠一竖直固定挡板P，某时刻给滑块C施加一个水平冲量使其以初速度v0水平向左运动，滑块C撞上滑块B的瞬间二者粘在一起共同向左运动，弹簧被压缩至最短的瞬间具有的弹性势能为1.35 J，此时撤掉固定挡板P，之后弹簧弹开释放势能，已知滑块A、B、C的质量分别为mA＝mB＝0.2 kg，mC＝0.1 kg，(取＝3.16)求：图8(1)滑块C的初速度v0的大小；(2)当弹簧弹开后恢复原长的瞬间，滑块B、C的速度大小；(3)从滑块B、C压缩弹簧至弹簧恢复原长的过程中，弹簧对滑块B、C整体的冲量．答案　(1)9 m/s　(2)1.9 m/s　(3)1.47 N·s，方向水平向右解析　(1)滑块C撞上滑块B的过程中，滑块B、C组成的系统动量守恒，以水平向左为正方向，根据动量守恒定律得：mCv0＝(mB＋mC)v1弹簧被压缩至最短时，滑块B、C速度为零，根据能量守恒定律得：Ep＝(mB＋mC)v12解得：v1＝3 m/s，v0＝9 m/s(2)设弹簧弹开后恢复原长的瞬间，滑块B、C的速度大小为v2，滑块A的大小为v3，根据动量守恒定律得：(mB＋mC)v2－mAv3＝0根据能量守恒定律得：Ep＝mAv32＋(mB＋mC)v22解得：v2≈1.9 m/s(3)设弹簧对滑块B、C整体的冲量为I，选向右为正方向，由动量定理得：I＝Δp＝(mB＋mC)[v2－(－v1)]解得：I＝1.47 N·s，方向水平向右．9.如图9所示，一光滑水平面上有质量为m的光滑曲面体A，A右端与水平面平滑连接，一质量为m的小球C放在曲面体A的曲面上，距水平面的高度为h，小球C从静止开始滑下，然后与质量为2m的小球B发生弹性正碰(碰撞时间极短，且无机械能损失)．重力加速度为g.图9(1)小球C与曲面体A分离时，求A、C的速度大小；(2)小球C与小球B发生碰撞后，小球C能否追上曲面体A?答案　(1)均为　(2)不能解析　(1)设小球C与曲面体A分离时速度大小为v0，此时曲面体A的速度大小为vA，小球C运动到曲面体A最低点的过程中，以向右为正方向，在水平方向上，由动量守恒定律得mv0－mvA＝0，由机械能守恒定律得mgh＝mv02＋mvA2，解得vA＝v0＝.(2)设小球C与小球B发生碰撞后速度分别为vC和vB，以向右为正方向，由于小球C与小球B发生弹性正碰，由动量守恒定律得mv0＝mvC＋2mvB，由机械能守恒定律得mv02＝mvC2＋×2mvB2，解得vB＝，vC＝－，因|vC|<|vA|，则小球C与小球B发生碰撞后，小球C不能追上曲面体A.