粤教版 (2019)选择性必修 第一册第五节 弹性碰撞与非弹性碰撞图文课件ppt
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1.碰撞的定义和特点(1)定义:碰撞是指两个或两个以上的物体在相遇的极短时间内产生非常大的________.(2)特点:物体组成的系统所受外力______内力,且相互作用时间____,故系统在碰撞过程中动量____.
2.碰撞的分类(1)弹性碰撞:碰撞前后系统的机械能____的碰撞.(2)非弹性碰撞:碰撞前后系统的机械能________的碰撞.(3)完全非弹性碰撞:碰撞后物体完全不反弹而________的碰撞.这时机械能损失____.
由以上两式对弹性碰撞实验研究结论的解释:(1)当m1=m2时,v1′=0,v2′=v1,表示碰撞后两球________.(2)当m1>m2时,v1′>0,v2′>0,表示碰撞后两球向前运动.若m1≫m2,v1′=v1,v2′=2v1;表示m1的速度不变,m2以2v1的速度运动.(3)当m1<m2时,v1′<0,v2′>0,表示碰撞后质量小的球被反弹回来.若m1≪m2,v1′=-v1,v2′=0,表示,m1被反向以原速率弹回,m2仍静止.
4.自然界中的守恒定律(1)系统:物理学上常将物体及与之________的因素视为一个系统.(2)动量守恒定律的适用范围:动量守恒定律在____、____和____都是适用的,是自然界普适的基本定律.
1.思考判断(正确的打“√”,错误的打“×”).(1)弹性碰撞过程中动量守恒、动能不守恒.( )(2)完全非弹性碰撞,动量守恒,动能也守恒.( )(3)三种碰撞中,动量都守恒.( )(4)速度不同的两小球碰撞后粘在一起,碰撞过程中没有动能损失.( )
2.(多选)下面关于碰撞的理解正确的是( )A.碰撞是指相对运动的物体相遇时,在极短时间内它们的运动状态发生了显著变化的过程B.在碰撞现象中,一般内力都远远大于外力,所以可以认为碰撞时系统的总动量守恒C.如果碰撞过程中机械能也守恒,这样的碰撞叫作非弹性碰撞D.微观粒子的碰撞由于不发生直接接触,所以不满足动量守恒的条件,不能应用动量守恒定律求解
AB [碰撞过程中机械能守恒的碰撞为弹性碰撞,C错误;动量守恒定律是自然界普遍适用的规律之一.不仅低速、宏观物体的运动遵守这一规律,而且高速、微观物体的运动也遵守这一规律,D错误.]
3.现有甲、乙两滑块,质量分别为3m和m,以相同的速度v在光滑水平面上相向运动,发生了碰撞.已知碰撞后,甲滑块静止不动,那么这次碰撞是( )A.弹性碰撞 B.非弹性碰撞C.完全非弹性碰撞 D.条件不足,无法确定
关键能力·情境探究达成
考点1 碰撞过程的特点
考点2 碰撞的判断和碰撞模型
台球比赛中,一个运动的球与一个静止的球碰撞,如果碰撞之前球的运动速度与两球心不在同一直线上,碰撞过程动量守恒吗?碰撞后的总动量能否直接相加?提示:守恒,不能直接相加,因为动量是矢量.
◆考点1 碰撞过程的特点1.时间特点:在碰撞、爆炸现象中,相互作用的时间很短.2.相互作用力的特点:在相互作用过程中,相互作用力先是急剧增大,然后急剧减小,平均作用力很大.3.动量守恒条件的特点:系统的内力远远大于外力,所以系统即使所受合力不为零,外力也可以忽略,系统的总动量守恒.4.位移特点:碰撞过程是在一瞬间发生的,时间极短,在物体发生碰撞的瞬间,可忽略物体的位移,认为物体在碰撞前后仍在原位置.5.能量特点:碰撞前总动能Ek与碰撞后总动能Ek′满足Ek≥Ek′.
【典例1】 (多选)如图所示,在质量为M的小车中挂着一单摆,摆球质量为m0,小车和单摆以恒定的速度v沿光滑水平地面运动,与位于正前方的质量为m的静止的木块发生碰撞,碰撞的时间极短.在此碰撞过程中,下列情况可能发生的是( )A.小车、木块、摆球的速度都发生变化,分别变为v1、v2、v3,满足(M+m0)v=Mv1+mv1+m0v3B.摆球的速度不变,小车和木块的速度变为v1和v2,满足Mv=Mv1+mv2C.摆球的速度不变,小车和木块的速度都变为u,满足Mv=(M+m)uD.碰撞时间极短,在此碰撞过程中,摆球的速度还来不及变化
BCD [小车与木块碰撞,且碰撞时间极短,因此相互作用只发生在木块和小车之间,悬挂的摆球在水平方向未受到力的作用,故摆球在水平方向的动量未发生变化,即摆球的速度在小车与木块碰撞过程中始终不变,由此可知A情况不可能发生;B的说法对应于小车和木块碰撞后又分开的情况,C的说法对应于小车和木块碰撞后粘在一起的情况,两种情况都有可能发生.故B、C、D均正确.]
[跟进训练]1.(多选)在两个物体碰撞前后,下列说法中可以成立的是( )A.作用后的总机械能比作用前小,但总动量守恒B.作用前后总动量均为零,但总动能守恒C.作用前后总动能为零,而总动量不为零D.作用前后总动量守恒,而系统内各物体的动量增量的总和不为零
AB [A是非弹性碰撞,成立;B是弹性碰撞,成立;C不成立,因为总动能为零其总动量一定为零;D不成立,因为总动量守恒则系统所受合外力一定为零,若系统内各物体的动量增量总和不为零的话,则系统一定受到外力的作用.]
(3)符合实际情况,如果碰前两物体同向运动,则后面的物体速度必大于前面物体的速度,即v后>v前,否则无法实现碰撞.碰撞后,原来在前的物体的速度一定增大,且原来在前的物体速度大于或等于原来在后的物体的速度,即v′前≥v′后,否则碰撞没有结束.如果碰前两物体相向运动,则碰后两物体的运动方向不可能都不改变,除非两物体碰撞后速度均为零.
【典例2】 如图所示,两个小球A、B在光滑水平地面上相向运动,它们的质量分别为mA=4 kg,mB=2 kg,速度分别是vA=3 m/s(设为正方向),vB=-3 m/s.则它们发生正碰后,速度的可能值分别为( )A.vA′=1 m/s,vB′=1 m/sB.vA′=-3 m/s,vB′=9 m/sC.vA′=2 m/s,vB′=-1 m/sD.vA′=-1 m/s,vB′=-5 m/s
系统动量守恒,动能增加,故B错误;如果vA′=2 m/s、vB′=-1 m/s,碰后系统总动量为6 kg·m/s,总动能为9 J,系统动量守恒,动能不增加,碰后两球速度方向都不发生改变,会再次发生碰撞,与实际不符,故C错误;如果vA′=-1 m/s、vB′=-5 m/s,碰后总动量为-14 kg·m/s,系统动量不守恒,故D错误.]
处理碰撞问题的几个关键点(1)选取动量守恒的系统:若有三个或更多个物体参与碰撞时,要合理选取所研究的系统.(2)弄清碰撞的类型:弹性碰撞、完全非弹性碰撞还是其他非弹性碰撞.(3)弄清碰撞过程中存在的关系:能量转化关系、几何关系、速度关系等.
训练角度2 弹性碰撞与非弹性碰撞3.(2022·江苏淮海中学高二阶段练习)如图所示,光滑水平桌面上一只质量为5.0 kg的保龄球,撞上一只原来静止,质量为1.5 kg的球瓶.此后球瓶以3.0 m/s的速度向前飞出,而保龄球以2.0 m/s的速度继续向前运动,假设它们相互作用的时间为0.05 s.求:
(1)碰撞前保龄球的速度;[解析] 设保龄球质量为M,球瓶质量为m,碰撞前保龄球的速度为v1,碰撞后保龄球速度为v1′,球瓶的速度为v2,根据动量守恒定律有Mv1=Mv1′+mv2解得v1=2.9 m/s.[答案] 2.9 m/s
(2)碰撞时保龄球与球瓶间的相互作用力的大小;[解析] 设碰撞时保龄球与球瓶间的相互作用力的大小为F,对球瓶根据动量定理有Ft=mv2解得F=90 N.[答案] 90 N
学习效果·随堂评估自测
1.两个相向运动的小球,在光滑水平面上碰撞后变成静止状态,则碰撞前这两个小球的( )A.质量一定相等 B.动能一定相等C.动量一定相等 D.总动量等于零
D [两小球碰撞前动量大小相等,方向相反,总动量为零.]
2.(多选)在光滑水平面上,两球沿球心连线以相等速率相向而行,并发生碰撞,下列现象可能的是( )A.若两球质量相等,碰后以某一相等速率互相分开B.若两球质量相等,碰后以某一相等速率同向而行C.若两球质量不等,碰后以某一相等速率互相分开D.若两球质量不等,碰后以某一相等速率同向而行
AD [由题意知,碰前两球的总动量为零且碰撞过程中动量守恒.对A,碰撞前两球总动量为零,碰撞后总动量也为零,动量守恒,所以A是可能的;对B,若碰撞后两球以某一相等速率同向而行,则两球的总动量不为零,而碰撞前总动量为零,所以B不可能;对C,碰撞前、后系统的总动量的方向不同,所以动量不守恒,C不可能;对D,碰撞前总动量不为零,碰撞后总动量也不为零,方向可能相同,所以D是可能的.故正确为A、D.]
3.(2022·山东招远市第二中学高二阶段练习)如图所示,A、B、C、D、E、F、G为七个质量分布均匀、半径相同的球,其中A、G两球质量相等,B、C、D、E、F五球质量相等,且A球质量小于B球质量.现将B、C、D、E、F、G放置在光滑的水平面上排成一条直线且均处于静止状态.某时刻让A球以速度v0正对B球运动,所发生的碰撞均为弹性碰撞,则发生一系列碰撞之后,最终( )A.五个小球静止,两个小球运动B.四个小球静止,三个小球运动C.三个小球静止,四个小球运动D.七个小球都运动
4.甲、乙两球在光滑水平轨道上向同向运动,已知它们的动量分别是p甲=5 kg·m/s,p乙=7 kg·m/s,甲追上乙并发生碰撞,碰撞后乙球的动量变为p′乙=10 kg·m/s,则两球质量m甲与m乙的关系可能是( )A.m乙=m甲 B.m乙=2m甲C.m乙=4m甲 D.m乙=6m甲
5.(2022·广东卷)某同学受自动雨伞开伞过程的启发,设计了如图所示的物理模型.竖直放置在水平桌面上的滑杆上套有一个滑块,初始时它们处于静止状态.当滑块从A处以初速度v0为10 m/s向上滑动时,受到滑杆的摩擦力Ff为1 N,滑块滑到B处与滑杆发生完全非弹性碰撞,带动滑杆离开桌面一起竖直向上运动.已知滑块的质量m=0.2 kg,滑杆的质量M=0.6 kg,A、B间的距离l=1.2 m,重力加速度g取10 m/s2,不计空气阻力.求:
(1)滑块在静止时和向上滑动的过程中,桌面对滑杆支持力的大小N1和N2;[解析] 当滑块处于静止时桌面对滑杆的支持力等于滑块和滑杆的重力,即N1=(m+M)g=8 N当滑块向上滑动过程中受到滑杆的摩擦力为1 N,根据牛顿第三定律可知滑块对滑杆的摩擦力Ff′也为1 N,方向竖直向上,则此时桌面对滑杆的支持力为N2=Mg-Ff′=5 N.[答案] 8 N 5 N
回顾本节内容,自主完成以下问题:1.碰撞过程要不要考虑两个物体的作用过程的相对运动?提示:不需要,作用时间极短.2.碰撞过程从能量角度怎么分类?提示:弹性碰撞和非弹性碰撞.3.碰撞可能性的判断依据是什么?提示:(1)系统动量守恒,(2)系统动能不增加,(3)速度要合理.
阅读材料·拓展物理视野
冰壶运动冰壶是在第18届长野冬奥会上成为正式比赛项目的.冰壶早在14世纪起源于苏格兰.在19世纪初期加拿大就举行过全国性质的冰壶大赛.而传入亚洲大概是在19世纪中期.1924年冰壶作为表演项目被纳入到了第1届冬奥会中,而作为正式的比赛项目则是在1988年的长野冬奥会上.
冰壶又叫作“掷冰壶”“冰上溜石”,以队为单位,是在冰上进行的一种投掷性的比赛.它考验参与者的体力与脑力,尽显动静、取舍之美.冰壶为特殊石材制成,周长约为91.44厘米,高约为11.43厘米,重量大致为19.96公斤.冰壶比赛场地为长方形,长44.5米、宽4.75米.
冰道的一端画有一个直径为1.83米的圆圈作为球员的发球区,叫本垒.冰道的另一端也画有一圆圈,叫营垒.场地四周有木框,防止冰壶出界.有6条与端线平行的横贯全场的横线,中间两条为前卫线,也能叫作栏线,两端的两条为后卫线.在前卫线和后卫线的中间有一个纵横交叉的十字线,称圆心线,交叉点就是本垒和营垒的中心点.
场地两端各固定一橡胶起踏器,比赛中运动员蹬起踏器后与壶一起滑行,壶须在到达近端前掷线前投出,并且要到达远端前掷线和底线之间的区域才有效.比赛中,运动员可以在冰壶前行的方向擦冰,以减少摩擦力,增加滑行距离.
比赛时每队出场4人,每人每局掷壶两次,双方按照一、二、三、四垒的顺序进行一对一对抗,两个队共投完16个壶为一局,最后一壶投完后,大本营内距中心近的壶所属一方得分.一般比赛打10局,得分多的一方即获得胜利.
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