1、高考资源网选修3-5 第十六章 动量守恒定律内容要求说明90.动量 动量守恒定律91.验证动量守恒定律(实验、探究)92.弹性碰撞和非弹性碰撞(10年:96.弹性碰撞和非弹性碰撞 反冲运动)只限于一维碰撞的问题第一部分要点归纳一、动量、动量的变化量1动量物体的质量和速度的乘积叫做动量:p=mv动量是描述物体运动状态的一个状态量,它与时刻相对应。动量是矢量,它的方向和速度的方向相同。动量的相对性:由于物体的速度与参考系的选取有关,所以物体的动量也与参考系选取有关,因而动量具有相对性。题中没有特别说明的,一般取地面或相对地面静止的物体为参考系。(4)研究一条直线上的动量要选择正方向2动量的变化:由
2、于动量为矢量,则求解动量的变化时,其运算遵循平行四边形定则。A、若初末动量在同一直线上,则在选定正方向的前提下,可化矢量运算为代数运算。B、若初末动量不在同一直线上,则运算遵循平行四边形定则。【例1】一个质量为m=40g的乒乓球自高处落下,以速度=1m/s碰地,竖直向上弹回,碰撞时间极短,离地的速率为=0.5m/s。求在碰撞过程中,乒乓球动量变化为多少?正方向取竖直向下为正方向,乒乓球的初动量为: 乒乓球的末动量为: 乒乓球动量的变化为: =负号表示的方向与所取的正方向相反,即竖直向上。二、动量守恒定律及其应用1动量守恒定律的内容一个系统不受外力或者受外力之和为零,这个系统的总动量保持不变。
3、即: 守恒是指整个过程任意时刻相等(时时相等,类比匀速) 定律适用于宏观和微观、高速和低速2动量守恒定律成立的条件系统不受外力或者所受外力之和为零;系统受外力,但外力远小于内力,可以忽略不计;系统在某一个方向上所受的合外力为零,则该方向上动量守恒。3动量守恒定律的表达形式(1),即p1+p2=p1/+p2/,(2)p1+p2=0,p1= -p24、理解:正方向同参同系微观和宏观都适用5动量守恒定律的重要意义从现代物理学的理论高度来认识,动量守恒定律是物理学中最基本的普适原理之一。(另一个最基本的普适原理就是能量守恒定律。)从科学实践的角度来看,迄今为止,人们尚未发现动量守恒定律有任何例外。6应
4、用动量守恒定律解决问题的基本思路和一般方法(1)分析题意,明确研究对象.在分析相互作用的物体总动量是否守恒时,通常把这些被研究的物体总称为系统.(2)要对各阶段所选系统内的物体进行受力分析,弄清哪些是系统内部物体之间相互作用的内力,哪些是系统外物体对系统内物体作用的外力.在受力分析的基础上根据动量守恒定律条件,判断能否应用动量守恒。(3)明确所研究的相互作用过程,确定过程的始、末状态,即系统内各个物体的初动量和末动量的量值或表达式。注意:在研究地面上物体间相互作用的过程时,各物体的速度均应取地面为参考系。(4)确定好正方向建立动量守恒方程求解。7动量守恒定律的应用碰撞A A B A B A B
5、v1vv1/v2/ 两个物体在极短时间内发生相互作用,这种情况称为碰撞。由于作用时间极短,一般都满足内力远大于外力,所以可以认为系统的动量守恒。碰撞又分弹性碰撞、非弹性碰撞、完全非弹性碰撞三种。仔细分析一下碰撞的全过程:设光滑水平面上,质量为m1的物体A以速度v1向质量为m2的静止物体B运动,B的左端连有轻弹簧。在位置A、B刚好接触,弹簧开始被压缩,A开始减速,B开始加速;到位置A、B速度刚好相等(设为v),弹簧被压缩到最短;再往后A、B开始远离,弹簧开始恢复原长,到位置弹簧刚好为原长,A、B分开,这时A、B的速度分别为。全过程系统动量一定是守恒的;而机械能是否守恒就要看弹簧的弹性如何了。(1
6、)弹簧是完全弹性的。系统动能减少全部转化为弹性势能,状态系统动能最小而弹性势能最大;弹性势能减少全部转化为动能;因此、状态系统动能相等。这种碰撞叫做弹性碰撞。由动量守恒和能量守恒可以证明A、B的最终速度分别为:。(这个结论最好背下来,以后经常要用到。)(2)弹簧不是完全弹性的。系统动能减少,一部分转化为弹性势能,一部分转化为内能,状态系统动能仍和相同,弹性势能仍最大,但比小;弹性势能减少,部分转化为动能,部分转化为内能;因为全过程系统动能有损失(一部分动能转化为内能)。这种碰撞叫非弹性碰撞。(3)弹簧完全没有弹性。系统动能减少全部转化为内能,状态系统动能仍和相同,但没有弹性势能;由于没有弹性,
7、A、B不再分开,而是共同运动,不再有过程。这种碰撞叫完全非弹性碰撞。可以证明,A、B最终的共同速度为。在完全非弹性碰撞过程中,系统的动能损失最大,为:。【例2】 动量分别为5kgm/s和6kgm/s的小球A、B沿光滑平面上的同一条直线同向运动,A追上B并发生碰撞后。若已知碰撞后A的动量减小了2kgm/s,而方向不变,那么A、B质量之比的可能范围是什么?解析:A能追上B,说明碰前vAvB,;碰后A的速度不大于B的速度, ;又因为碰撞过程系统动能不会增加, ,由以上不等式组解得:点评:此类碰撞问题要考虑三个因素:碰撞中系统动量守恒;碰撞过程中系统动能不增加;碰前碰后两个物体位置关系(不穿越)和速度
8、大小应保证其顺序合理。8动量守恒定律的应用子弹打木块类问题 s2 ds1v0子弹打木块实际上是一种完全非弹性碰撞。作为一个典型,它的特点是:子弹以水平速度射向原来静止的木块,并留在木块中跟木块共同运动。下面从动量、能量和牛顿运动定律等多个角度来分析这一过程。【例3】 设质量为m的子弹以初速度v0射向静止在光滑水平面上的质量为M的木块,并留在木块中不再射出,子弹钻入木块深度为d。求木块对子弹的平均阻力的大小和该过程中木块前进的距离。解析:子弹和木块最后共同运动,相当于完全非弹性碰撞。从动量的角度看,子弹射入木块过程中系统动量守恒:从能量的角度看,该过程系统损失的动能全部转化为系统的内能。设平均阻
9、力大小为f,设子弹、木块的位移大小分别为s1、s2,如图所示,显然有s1-s2=d对子弹用动能定理: 对木块用动能定理: 、相减得: 点评:这个式子的物理意义是:fd恰好等于系统动能的损失;根据能量守恒定律,系统动能的损失应该等于系统内能的增加;可见,即两物体由于相对运动而摩擦产生的热(机械能转化为内能),等于摩擦力大小与两物体相对滑动的路程的乘积(由于摩擦力是耗散力,摩擦生热跟路径有关,所以这里应该用路程,而不是用位移)。 由上式不难求得平均阻力的大小:至于木块前进的距离s2,可以由以上、相比得出:从牛顿运动定律和运动学公式出发,也可以得出同样的结论。由于子弹和木块都在恒力作用下做匀变速运动
10、,位移与平均速度成正比: 一般情况下,所以s2d。这说明,在子弹射入木块过程中,木块的位移很小,可以忽略不计。这就为分阶段处理问题提供了依据。象这种运动物体与静止物体相互作用,动量守恒,最后共同运动的类型,全过程动能的损失量可用公式: 当子弹速度很大时,可能射穿木块,这时末状态子弹和木块的速度大小不再相等,但穿透过程中系统动量仍然守恒,系统动能损失仍然是EK= f d(这里的d为木块的厚度),但由于末状态子弹和木块速度不相等,所以不能再用式计算EK的大小。9动量守恒定律的应用人船模型【例4】 质量为m的人站在质量为M,长为L的静止小船的右端,小船的左端靠在岸边。当他向左走到船的左端时,船左端离
11、岸多远?解析:先画出示意图。人、船系统动量守恒,总动量始终为零,所以人、船动量大小始终相等。从图中可以看出,人、船的位移大小之和等于L。设人、船位移大小分别为l1、l2,则:mv1=Mv2,两边同乘时间t,ml1=Ml2,而l1+l2=L,点评:应该注意到:此结论与人在船上行走的速度大小无关。不论是匀速行走还是变速行走,甚至往返行走,只要人最终到达船的左端,那么结论都是相同的。以上列举的人、船模型的前提是系统初动量为零。如果发生相互作用前系统就具有一定的动量,就不能再用m1v1=m2v2这种形式列方程,而要用(m1+m2)v0= m1v1+ m2v2列式。9动量守恒定律的应用爆炸类类问题【例6
12、】 抛出的手雷在最高点时水平速度为10m/s,这时突然炸成两块,其中大块质量300g仍按原方向飞行,其速度测得为50m/s,另一小块质量为200g,求它的速度的大小和方向。分析:手雷在空中爆炸时所受合外力应是它受到的重力G=( m1+m2 )g,可见系统的动量并不守恒。但在爆炸瞬间,内力远大于外力时,外力可以不计,系统动量近似守恒。设手雷原飞行方向为正方向,则整体初速度;m1=0.3kg的大块速度为m/s、m2=0.2kg的小块速度为,方向不清,暂设为正方向。由动量守恒定律:m/s此结果表明,质量为200克的部分以50m/s的速度向反方向运动,其中负号表示与所设正方向相反9动量守恒定律的应用某
13、一方向上的动量守恒【例7】 如图所示,AB为一光滑水平横杆,杆上套一质量为M的小圆环,环上系一长为L质量不计的细绳,绳的另一端拴一质量为m的小球,现将绳拉直,且与AB平行,由静止释放小球,则当线绳与A B成角时,圆环移动的距离是多少?解析:虽然小球、细绳及圆环在运动过程中合外力不为零(杆的支持力与两圆环及小球的重力之和不相等)系统动量不守恒,但是系统在水平方向不受外力,因而水平动量守恒。设细绳与AB成角时小球的水平速度为v,圆环的水平速度为V,则由水平动量守恒有:MV=mv且在任意时刻或位置V与v均满足这一关系,加之时间相同,公式中的V和v可分别用其水平位移替代,则上式可写为:Md=m(L-L
14、cos)-d解得圆环移动的距离: d=mL(1-cos)/(M+m)9动量守恒定律的应用物块与平板间的相对滑动【例8】如图所示,一质量为M的平板车B放在光滑水平面上,在其右端放一质量为m的小木块A,mM,A、B间动摩擦因数为,现给A和B以大小相等、方向相反的初速度v0,使A开始向左运动,B开始向右运动,最后A不会滑离B,求:(1)A、B最后的速度大小和方向;(2)从地面上看,小木块向左运动到离出发点最远处时,平板车向右运动位移大小。解析:(1)由A、B系统动量守恒定律得:Mv0-mv0=(M+m)v所以v=v0 方向向右(2)A向左运动速度减为零时,到达最远处,此时板车移动位移为s,速度为v,
15、则由动量守恒定律得:Mv0-mv0=Mv对板车应用动能定理得:-mgs=mv2-mv02 联立解得:s=v02针对性训练练习11质量为M的小车在水平地面上以速度v0匀速向右运动。当车中的砂子从底部的漏斗中不断流下时,车子速度将( B )A减小 B不变 C增大 D无法确定2如图所示,放在光滑水平桌面上的A、B木块中部夹一被压缩的弹簧,当弹簧被放开时,它们各自在桌面上滑行一段距离后,飞离桌面落在地上。A的落地点与桌边水平距离0.5m,B的落地点距离桌边1m,那么( A、B、D)AA、B离开弹簧时的速度比为12BA、B质量比为21C未离开弹簧时,A、B所受冲量比为12D未离开弹簧时,A、B加速度之比
16、12练习21质量相同的两个小球在光滑水平面上沿连心线同向运动,球1的动量为 7 kgm/s,球2的动量为5 kgm/s,当球1追上球2时发生碰撞,则碰撞后两球动量变化的可能值是( A )Ap1=-1 kgm/s,p2=1 kgm/sBp1=-1 kgm/s,p2=4 kgm/sCp1=-9 kgm/s,p2=9 kgm/sDp1=-12 kgm/s,p2=10 kgm/s2小车AB静置于光滑的水平面上,A端固定一个轻质弹簧,B端粘有橡皮泥,AB车质量为M,长为L,质量为m的木块C放在小车上,用细绳连结于小车的A端并使弹簧压缩,开始时AB与C都处于静止状态,如图所示,当突然烧断细绳,弹簧被释放,
17、使物体C离开弹簧向B端冲去,并跟B端橡皮泥粘在一起,以下说法中正确的是( BCD )A如果AB车内表面光滑,整个系统任何时刻机械能都守恒B整个系统任何时刻动量都守恒C当木块对地运动速度为v时,小车对地运动速度为vDAB车向左运动最大位移小于L4质量为M的小车静止在光滑的水平面上,质量为m的小球用细绳吊在小车上O点,将小球拉至水平位置A点静止开始释放(如图所示),求小球落至最低点时速度多大?(相对地的速度)()练习31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( AD )A若两球质量相同,碰后以某一相等速率互相分开B若两球质量相同,碰后以某一相等速率同向而行C
18、若两球质量不同,碰后以某一相等速率互相分开D若两球质量不同,碰后以某一相等速率同向而行2如图所示,用细线挂一质量为M的木块,有一质量为m的子弹自左向右水平射穿此木块,穿透前后子弹的速度分别为和v(设子弹穿过木块的时间和空气阻力不计),木块的速度大小为( B )A BC D3载人气球原静止于高h的空中,气球质量为M,人的质量为m。若人要沿绳梯着地,则绳梯长至少是( A )A(m+M)h/M Bmh/M CMh/m Dh4质量为2kg的小车以2m/s的速度沿光滑的水平面向右运动,若将质量为2kg的砂袋以3m/s的速度迎面扔上小车,则砂袋与小车一起运动的速度的大小和方向是( C )A2.6m/s,向
19、右 B2.6m/s,向左 C0.5m/s,向左 D0.8m/s,向右5车厢停在光滑的水平轨道上,车厢后面的人对前壁发射一颗子弹。设子弹质量为m,出口速度v,车厢和人的质量为M,则子弹陷入前车壁后,车厢的速度为( D )Amv/M,向前 Bmv/M,向后Cmv/(m+M),向前 D06向空中发射一物体,不计空气阻力。当此物体的速度恰好沿水平方向时,物体炸裂成a、b两块,若质量较大的a块的速度方向仍沿原来的方向,则( CD )Ab的速度方向一定与原速度方向相反B从炸裂到落地的这段时间里,a飞行的水平距离一定比b的大Ca、b一定同时到达水平地面D在炸裂过程中,a、b受到的爆炸力的冲量大小一定相等7两质量均为M的冰船A、B静止在光滑冰面上,轴线在一条直线上,船头相对,质量为m的小球从A船跳入B船,又立刻跳回,A、B两船最后的速度之比是_。练习3参考答案1A、D 2B 3A 4C 5D 6C、D 7第二部分实验:验证动量守恒定律(略)w。w-w*k&s%5¥u