高中物理 第1章 动量守恒研究 3 科学探究一维弹性碰撞学案 鲁科版选修

我带领班子成员及全体职工，积极参加县委、政府和农牧局组织的政治理论学习，同时认真学习业务知识，全面提高了自身素质，增强职工工作积极性，杜绝了纪律松散第3节科学探究一维弹性碰撞目标定位1.知道非弹性碰撞、完全非弹性碰撞和弹性碰撞的概念和特点.2.掌握弹性碰撞的规律，会应用动量、能量的观点分析、解决一维碰撞问题.一、不同类型的碰撞1非弹性碰撞：碰撞过程中有动能损失，即动能不守恒2完全非弹性碰撞：碰撞后物体结合在一起，动能损失最大3弹性碰撞：物体碰撞后，形变能够完全恢复，不发热、发声，没有动能损失，又称为完全弹性碰撞二、弹性碰撞的实验探究1质量相等的两个钢球发生弹性碰撞，碰撞前后两球的总动能守恒，碰撞后两球交换了速度2质量较大的钢球与静止的质量较小的钢球发生弹性碰撞，碰撞后两球运动方向相同，碰撞前后两球总动能守恒3质量较小的钢球与静止的质量较大的钢球发生弹性碰撞，碰撞后质量较小的钢球速度方向与原来相反，碰撞过程中两球总动能守恒综上可知，在弹性碰撞过程中，系统的动量与动能都守恒三、弹性碰撞的规律质量为m1的小球以速度v1与静止的质量为m2的小球发生弹性碰撞碰撞过程中动量守恒，动能也守恒动量守恒的表达式为：m1v1m1v1m2v2动能守恒的表达式为m1vm1v12m2v22碰后两个物体的速度分别为v1v1，v2v1.想一想质量相等的两个物体发生正碰时，一定交换速度吗？答案不一定只有质量相等的两个物体发生弹性正碰时，同时满足动量守恒和动能守恒的情况下，两物体才会交换速度.一、对碰撞问题的理解1碰撞(1)碰撞时间非常短，可以忽略不计(2)碰撞过程中内力往往远大于外力，系统所受外力可以忽略不计，所以系统的动量守恒2三种碰撞类型(1)弹性碰撞动量守恒：m1v1m2v2m1v1m2v2动能守恒：m1vm2vm1v12m2v22若v20，则有v1v1，v2v1推论：质量相等，大小、材料完全相同的弹性小球发生弹性碰撞，碰后交换速度即v10，v2v1(2)非弹性碰撞动量守恒：m1v1m2v2m1v1m2v2动能减少，损失的动能转化为内能|Ek|Ek初Ek末Q(3)完全非弹性碰撞动量守恒：m1v1m2v2(m1m2)v共碰撞中动能损失最多|Ek|m1vm2v(m1m2)v【例1】大小、形状完全相同，质量分别为300 g和200 g的两个物体在无摩擦的水平面上相向运动，速度分别为50 cm/s和100 cm/s.(1)如果两物体碰撞并粘合在一起，求它们共同的速度大小；(2)求碰撞后损失的动能；(3)如果碰撞是弹性碰撞，求两物体碰撞后的速度大小答案(1)0.1 m/s(2)0.135 J(3)0.7 m/s0.8 m/s解析(1)取v150 cm/s0.5 m/s的方向为正方向，则v2100 cm/s1 m/s，设两物体碰撞后粘合在一起的共同速度为v，由动量守恒定律得m1v1m2v2(m1m2)v，代入数据解得v0.1 m/s，负号表示方向与v1的方向相反(2)碰撞后两物体损失的动能为Ekm1vm2v(m1m2)v20.30.520.2(1)2(0.30.2)(0.1)2 J0.135 J.(3)如果碰撞是弹性碰撞，设碰后两物体的速度分别为v1、v2，由动量守恒定律得m1v1m2v2m1v1m2v2，由动能守恒得m1vm2vm1v12m2v22，代入数据解得v10.7 m/s，v20.8 m/s.二、弹性正碰模型及拓展应用1两质量分别为m1、m2的小球发生弹性正碰，v10，v20，则碰后两球速度分别为v1v1，v2v1.(1)若m1m2的两球发生弹性正碰，v10，v20，则碰后v10，v2v1，即二者碰后交换速度(2)若m1m2，v10，v20，则二者发生弹性正碰后， v1v1，v22v1.表明m1的速度不变，m2以2v1的速度被撞出去(3)若m1m2，v10，v20，则二者弹性正碰后，v1v1，v20.表明m1被反向以原速率弹回，而m2仍静止2如果两个相互作用的物体，满足动量守恒的条件，且相互作用过程初、末状态的总机械能不变，广义上也可以看成是弹性正碰【例2】如图1所示，ABC为一固定在竖直平面内的光滑轨道，BC段水平，AB段与BC段平滑连接，质量为m1的小球从高为h处由静止开始沿轨道下滑，与静止在轨道BC段上质量为m2的小球发生碰撞，碰撞后两球的运动方向处于同一水平线上，且在碰撞过程中无机械能损失求碰撞后小球m2的速度大小图1答案解析设m1碰撞前的速度为v10，根据机械能守恒定律有m1ghm1v解得v10设碰撞后m1与m2的速度分别为v1和v2，根据动量守恒定律有m1v10m1v1m2v2由于碰撞过程中无机械能损失m1vm1vm2v联立式解得v2将代入得v2借题发挥对于物理过程较复杂的问题，应注意将复杂过程分解为若干简单的过程(或阶段)，判断在哪个过程中系统动量守恒，哪一个过程机械能守恒或不守恒，但能量守恒定律却对每一个过程都适用【例3】 (多选)如图2所示，在光滑水平面上停放质量为m装有弧形槽的小车现有一质量也为m的小球以v0的水平速度沿切线水平的槽口向小车滑去(不计摩擦)，到达某一高度后，小球又返回小车右端，则()图2A小球在小车上到达最高点时的速度大小为B小球离车后，对地将向右做平抛运动C小球离车后，对地将做自由落体运动D此过程中小球对车做的功为mv答案ACD解析小球到达最高点时，小车和小球相对静止，且水平方向总动量守恒，小球离开车时类似完全弹性碰撞，两者速度完成互换，故选项A、C、D都是正确的三、碰撞满足的三个条件1动量守恒，即p1p2p1p2.2动能不增加，即Ek1Ek2Ek1Ek2或.3速度要符合实际情景：碰撞后，原来在前面的物体的速度一定增大，且原来在前面的物体的速度大于或等于原来在后面的物体的速度，即v前v后.【例4】如图3所示，光滑水平面上A、B两小球沿同一方向运动，A球的动量pA4 kgm/s，B球的质量mB1 kg，速度vB6 m/s，已知两球相撞后，A球的动量减为原来的一半，方向与原方向一致求：图3(1)碰撞后B球的速度；(2)A球的质量范围答案(1)8 m/s(2) kgmA kg解析(1)由题意知pA2 kgm/s.根据动量守恒定律有pAmBvBpAmBvB解得vB8 m/s.(2)设A球质量为mA，A球能追上B球并与之碰撞，应满足vAvB碰撞后A球不可能运动到B球前方，所以vAvB碰撞过程系统能量不可能增加，所以mBvB2mBv联立解得mA应满足 kgmA kg.碰撞特点及满足的条件1. (多选)质量相等的A、B两球在光滑水平面上沿同一直线相向运动，如图4所示，若以向左为运动的正方向，A球的速度为v12 m/s，B球的速度为v26 m/s，某时刻A球与B球发生相互碰撞，碰撞后仍在一条直线上运动，则碰后A、B球速度的可能值是()图4AvA1 m/s，vB3 m/sBvA7 m/s，vB3 m/sCvA2 m/s，vB2 m/sDvA6 m/s，vB2 m/s答案CD解析设两球的质量均为m.验证方法：(1)动量角度：p初4m，而所给选项均满足要求；(2)碰撞实际情况(碰撞只能发生一次)：A项不符合题意；(3)能量角度：两球碰撞前的总动能：Ek初mvmv20m，B选项中，两球碰后的总动能为Ek末mvmv29m，不符合题意；C、D项完全符合碰撞现象的三个原则，故碰撞能发生弹性碰撞的特点及计算2一中子与一质量数为A(A1)的原子核发生弹性正碰若碰前原子核静止，则碰撞前与碰撞后中子的速率之比为()A. B. C. D.答案A解析设中子的质量为m，则被碰原子核的质量为Am，两者发生弹性碰撞，据动量守恒，有mv0mv1Amv，据动能守恒，有mvmvAmv2.解以上两式得v1v0.若只考虑速度大小，则中子的速率为v1v0，故碰撞前、后中子速率之比为.非弹性碰撞的特点及计算3在光滑的水平面上有两个在同一直线上相向运动的小球，其中甲球的质量m14 kg，乙球的质量m21 kg，规定向左为正方向，碰撞前后甲球的vt图象如图5所示已知两球发生正碰后粘在一起，则碰前乙球速度的大小和方向分别为()图5A3 m/s，向右 B13 m/s，向左C13 m/s，向右 D3 m/s，向左答案C解析由题图知，碰撞前甲球的速度为v12 m/s，碰撞后，甲、乙两球的速度v1 m/s，以甲、乙两球组成的系统为研究对象，碰撞过程动量守恒，由动量守恒定律，得m1v1m2v2(m1m2)v，代入数据，解得v213 m/s，负号表示碰前乙球的速度方向与正方向相反，即方向向右选项C正确4冰球运动员甲的质量为80.0 kg.当他以5.0 m/s的速度向前运动时，与另一质量为100 kg、速度为3.0 m/s迎面而来的运动员乙相撞碰后甲恰好静止假设碰撞时间极短，求：(1)碰后乙的速度的大小；(2)碰撞中总机械能的损失答案(1)1.0 m/s(2)1 400 J解析(1)设运动员甲、乙的质量分别为m、M，碰前速度大小分别为v1、v2，碰后乙的速度大小为v2.由动量守恒定律有mv1Mv2Mv2代入数据得v21.0 m/s(2)设碰撞过程中总机械能的损失为E，应有mvMvMv22E联立式，代入数据得E1 400 J(时间：60分钟)题组一碰撞的特点及可能性分析1下列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，一般内力都远大于外力，所以可以认为碰撞时系统的动能守恒C如果碰撞过程中机械能守恒，这样的碰撞叫做非弹性碰撞D微观粒子的相互作用由于不发生直接接触，所以不能称其为碰撞答案A解析碰撞是十分普遍的现象，它是相对运动的物体相遇时发生的一种现象一般内力远大于外力如果碰撞中机械能守恒，就叫做弹性碰撞微观粒子的相互作用同样具有短时间内发生强大内力作用的特点，所以仍然是碰撞2在一条直线上相向运动的甲、乙两个小球，它们的动能相等，已知甲球的质量大于乙球的质量，它们正碰后可能发生的情况是()A甲、乙两球都沿乙球的运动方向B甲球反向运动，乙球停下C甲、乙两球都反向运动D甲、乙两球都反向运动，且动能仍相等答案C解析由p22mEk知，甲球的动量大于乙球的动量，所以总动量的方向应为甲球的初动量的方向，可以判断C正确3在光滑水平面上，一质量为m、速度大小为v的A球与质量为2m静止的B球碰撞后，A球的速度方向与碰撞前相反，则碰撞后B球的速度大小可能是()A0.6v B0.4v C0.3v D0.2v答案A解析A、B两球在水平方向上合外力为零，A球和B球碰撞的过程中动量守恒，设A、B两球碰撞后的速度分别为v1、v2，原来的运动方向为正方向，由动量守恒定律有：mvmv12mv2，假设碰后A球静止，即v10，可得v20.5v由题意知球A被反弹，所以球B的速度有：v20.5v，A、B两球碰撞过程能量可能有损失，由能量关系有：mv2mv2mv，两式联立得：v2v，由两式可得：0.5vmb BmambCmamb D无法判断答案B解析由题图知，a球以初速度与原来静止的b球碰撞，碰后a球反弹且速度小于初速度根据碰撞规律知，a球质量小于b球质量9.两个完全相同、质量均为m的滑块A和B，放在光滑水平面上，滑块A与轻弹簧相连，弹簧另一端固定在墙上，当滑块B以v0的初速度向滑块A运动时，如图3所示，碰到A后不再分开，下述说法中正确的是()图3A两滑块相碰和以后一起运动过程，系统动量均守恒B两滑块相碰和以后一起运动过程，系统机械能均守恒C弹簧最大弹性势能为mvD弹簧最大弹性势能为mv答案D解析B与A碰撞后一起运动的过程中，系统受到弹簧的弹力作用，合外力不为零，因此动量不守恒，A项错误；碰撞过程，A、B发生非弹性碰撞，有机械能损失，B项错误；碰撞过程mv02mv，因此碰撞后系统的机械能为2m2mv，弹簧的最大弹性势能等于碰撞后系统的机械能mv，C项错误，D项正确10.A、B两物体在水平面上相向运动，其中物体A的质量为mA4 kg，两球发生相互作用前后的运动情况如图4所示则：图4(1)由图可知A、B两物体在_时刻发生碰撞，B物体的质量为mB_kg.(2)碰撞过程中，系统的机械能损失多少？答案(1)2 s末6(2)30 J解析(1)由题图知，在t2 s时刻A、B相撞，碰撞前后，A、B的速度：vA m/s2 m/svB m/s3 m/svAB m/s1 m/s由动量守恒定律有：mAvAmBvB(mAmB)vAB，解得mB6 kg(2)碰撞过程损失的机械能：EmAvmBv(mAmB)v30 J.题组三碰撞模型的综合应用11在粗糙的水平桌面上有两个静止的木块A和B，两者相距为d.现给A一初速度，使A与B发生弹性正碰，碰撞时间极短当两木块都停止运动后，相距仍然为d.已知两木块与桌面之间的动摩擦因数均为，B的质量为A的2倍，重力加速度大小为g.求A的初速度的大小答案解析设在发生碰撞前的瞬间，木块A的速度大小为v；在碰撞后的瞬间，A和B的速度分别为v1和v2.在碰撞过程中，由能量和动量守恒定律，得mv2mv(2m)vmvmv1(2m)v2式中，以碰撞前木块A的速度方向为正由式得v1设碰撞后A和B运动