高中物理 第十六章 动量守恒定律章末分层突破学案 新人教版选修3-5.doc

第十六章 动量守恒定律 自我校对质量速度mvv动量的变化ppip1p2p1p2机械能守恒定律有损失损失最多动量定理及其应用1.冲量的计算 (1)恒力的冲量：公式ift适用于计算恒力的冲量(2)变力的冲量：通常利用动量定理ip求解可用图象法计算在ft图象中阴影部分(如图)的面积就表示力在时间tt2t1内的冲量图1612动量定理ftmv2mv1的应用(1)它说明的是力对时间的累积效应应用动量定理解题时，只考虑物体的初、末状态的动量，而不必考虑中间的运动过程(2)应用动量定理求解的问题求解曲线运动的动量变化量求变力的冲量问题及平均力问题求相互作用时间利用动量定理定性分析现象一个铁球，从静止状态由10 m高处自由下落，然后陷入泥潭中，从进入泥潭到静止用时0.4 s，该铁球的质量为336 g，求：(1)从开始下落到进入泥潭前，重力对小球的冲量为多少？(2)从进入泥潭到静止，泥潭对小球的冲量为多少？(3)泥潭对小球的平均作用力为多少？(保留两位小数，g取10 m/s2)【解析】(1)小球自由下落10 m所用的时间是t1 s s，重力的冲量igmgt10.33610 ns4.75 ns，方向竖直向下(2)设向下为正方向，对小球从静止开始运动至停在泥潭中的全过程运用动量定理得mg(t1t2)ft20泥潭的阻力f对小球的冲量ft2mg(t1t2)0.33610(0.4) ns6.10 ns，方向竖直向上(3)由ft26.10 ns得f15.25 n.【答案】(1)4.75 ns(2)6.10 ns(3)15.25 n动量守恒定律应用中的临界问题解决相互作用物体系统的临界问题时，应处理好下面两个方面的问题：1寻找临界状态题设情景中看是否有相互作用的两物体相距最近、恰好滑离、避免相碰和物体开始反向运动等临界状态2挖掘临界条件在与动量相关的临界问题中，临界条件常常表现为两物体的相对速度关系与相对位移关系3常见类型(1)涉及弹簧类的临界问题对于由弹簧组成的系统，在物体间发生相互作用的过程中，当弹簧被压缩到最短或拉伸到最长时，弹簧两端的两个物体的速度必然相等(2)涉及相互作用边界的临界问题在物体滑上斜面(斜面放在光滑水平面上)的过程中，由于物体间弹力的作用，斜面在水平方向上将做加速运动，物体滑到斜面上最高点的临界条件是物体与斜面沿水平方向具有共同的速度，物体到达斜面顶端时，在竖直方向上的分速度等于零(3)子弹打木块类的临界问题：子弹刚好击穿木块的临界条件为子弹穿出时的速度与木块的速度相同，子弹位移为木块位移与木块厚度之和如图162所示，甲车质量m1m，在车上有质量为m2m的人，甲车(连同车上的人)从足够长的斜坡上高h处由静止滑下，到水平面上后继续向前滑动，此时质量m22m的乙车正以v0的速度迎面滑来，已知h，为了使两车不可能发生碰撞，当两车相距适当距离时，人从甲车跳上乙车，试求人跳离甲车的水平速度(相对地面)应满足什么条件？不计地面和斜坡的摩擦，小车和人均可看作质点图162【解析】设甲车(包括人)滑下斜坡后速度为v1，由机械能守恒定律得(m1m)v(m1m)gh得：v12v0设人跳离甲车的水平速度(相对地面)为v，在人跳离甲车和人跳上乙车过程中各自动量守恒，设人跳离甲车和跳上乙车后，两车的速度分别为v1和v2，则人跳离甲车时：(mm1)v1mvm1v1即(2mm)v12mvmv1人跳上乙车时：mvm2v0(mm2)v2即2mv2mv0(2m2m)v2解得v16v02vv2vv0两车不可能发生碰撞的临界条件是v1v2当v1v2时，由解得vv0当v1v2时，由解得vv0故v的取值范围为v0vv0.【答案】v0vv0动量守恒和能量守恒的综合应用1.解决该类问题用到的规律动量守恒定律，机械能守恒定律，能量守恒定律，功能关系等2解决该类问题的基本思路(1)认真审题，明确题目所述的物理情景，确定研究对象(2)如果物体间涉及多过程，要把整个过程分解为几个小的过程(3)对所选取的对象进行受力分析，判定系统是否符合动量守恒的条件(4)对所选系统进行能量转化的分析，比如：系统是否满足机械能守恒，如果系统内有摩擦则机械能不守恒，有机械能转化为内能(5)选取所需要的方程列式并求解如图163所示，aob是光滑水平轨道，bc是半径为r的光滑的固定圆弧轨道，两轨道恰好相切于b点质量为m的小木块静止在o点，一颗质量为m的子弹以某一初速度水平向右射入小木块内，并留在其中和小木块一起运动，且恰能到达圆弧轨道的最高点c(木块和子弹均看成质点)图163(1)求子弹射入木块前的速度(2)若每当小木块返回到o点或停止在o点时，立即有一颗相同的子弹射入小木块，并留在其中，则当第9颗子弹射入小木块后，小木块沿圆弧轨道能上升的最大高度为多少？【解析】(1)第一颗子弹射入木块的过程，系统动量守恒，以子弹的初速度方向为正方向，由动量守恒定律得：mv0(mm)v1系统由o到c的运动过程中机械能守恒，由机械能守恒定律得：(mm)v(mm)gr由以上两式解得：v0(2)由动量守恒定律可知，第2、4、6颗子弹射入木块后，木块的速度为0，第1、3、5颗子弹射入后，木块运动当第9颗子弹射入木块时，以子弹初速度方向为正方向，由动量守恒定律得：mv0(9mm)v9设此后木块沿圆弧上升的最大高度为h，由机械能守恒得：(9mm)v(9mm)gh由以上各式可得：h2r.【答案】(1)；(2)2r(1)两物体不发生相撞的临界条件是两物体的速度同向同速.(2)子弹进入木块的过程中因摩擦而损失的机械能转化为系统的内能.(教师用书独具)1(2016天津高考)如图164所示，方盒a静止在光滑的水平面上，盒内有一小滑块b，盒的质量是滑块的2倍，滑块与盒内水平面间的动摩擦因数为.若滑块以速度v开始向左运动，与盒的左、右壁发生无机械能损失的碰撞，滑块在盒中来回运动多次，最终相对于盒静止，则此时盒的速度大小为_，滑块相对于盒运动的路程为_图164【解析】由于水平面光滑，则滑块与盒碰撞时动量守恒，故有：mv(mm)v1，且m2m相对静止时的共同速度v1由功能关系知：mgsmv2(mm)v解得滑块相对盒的路程s.【答案】2(2015全国卷)两滑块a、b沿水平面上同一条直线运动，并发生碰撞；碰撞后两者粘在一起运动；经过一段时间后，从光滑路段进入粗糙路段两者的位置x随时间t变化的图像如图165所示求：图165(1)滑块a、b的质量之比；(2)整个运动过程中，两滑块克服摩擦力做的功与因碰撞而损失的机械能之比【解析】(1)设a、b的质量分别为m1、m2，a、b碰撞前的速度为v1、v2.由题给图像得v12 m/sv21 m/sa、b发生完全非弹性碰撞，碰撞后两滑块的共同速度为v.由题给图像得v m/s由动量守恒定律得m1v1m2v2(m1m2)v联立式得m1m218.(2)由能量守恒得，两滑块因碰撞而损失的机械能为em1vm2v(m1m2)v2由图像可知，两滑块最后停止运动由动能定理得，两滑块克服摩擦力所做的功为w(m1m2)v2联立式，并代入题给数据得we12.【答案】(1)18(2)123(2016全国甲卷)如图166所示，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h0.3 m(h小于斜面体的高度)已知小孩与滑板的总质量为m130 kg，冰块的质量为m210 kg，小孩与滑板始终无相对运动取重力加速度的大小g10 m/s2.(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？图166【解析】(1)规定向右为速度正方向。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和机械能守恒定律得m2v20(m2m3)vm2v(m2m3)v2m2gh式中v203 m/s为冰块推出时的速度联立式并代入题给数据得m320 kg.(2)设小孩推出冰块后的速度为v1，由动量守恒定律有m1v1m2v200代入数据得v11 m/s设冰块与斜面体分离后的速度分别为v2和v3，由动量守恒和机械能守恒定律有m2v20m2v2m3v3m2vm2vm3v联立式并代入数据得v21 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【答案】(1)20 kg(2)见解析4(2016全国乙卷)某游乐园入口旁有一喷泉，喷出的水柱将一质量为m的卡通玩具稳定地悬停在空中为计算方便起见，假设水柱从横截面积为s的喷口持续以速度v0竖直向上喷出；玩具底部为平板(面积略大于s)；水柱冲击到玩具底板后，在竖直方向水的速度变为零，在水平方向朝四周均匀散开忽略空气阻力已知水的密度为，重力加速度大小为g.求(1)喷泉单位时间内喷出的水的质量；(2)玩具在空中悬停时，其底面相对于喷口的高度【解析】(1)设t时间内，从喷口喷出的水的体积为v，质量为m，则mvvv0st由式得，单位时间内从喷口喷出的水的质量为v0s.(2)设玩具悬停时其底面相对于喷口的高度为h，水从喷口喷出后到达玩具底面时的速度大小为v.对于t时间内喷出的水，由能量守恒得(m)v2(m)gh(m)v在h高度处，t时间内喷射到玩具底面的水沿竖直方向的动量变化量的大小为p(m)v设水对玩具的作用力的大小为f，根据动量定理有ftp由于玩具在空中悬停，由力的平衡条件得fmg联立式得h.【答案】(1)v0s(2)5(2016全国丙卷)如图167，水平地面上有两个静止的小物块a和b，其连线与墙垂直；a和b相距l，b与墙之间也相距l；a的质量为m，b的质量为m.两物块与地面间的动摩擦因数均相同现使a以初速度v0向右滑动此后a与b发生弹性碰撞，但b没有与墙发生碰撞重力加速度大小为g.求物块与地面间的动摩擦因数满足的条件图167【解析】设物块与地面间的动摩擦因数为.若要物块a、b能够发生碰撞，应有mvmgl即设在a、b发生弹性碰撞前的瞬间，a的速度大小为v1.由能量守恒有mvmvmgl设在a、b碰撞后的瞬间，a、b的速度大小分别为v1、v2，由动量守恒和能量守恒有mv1mv1mv2mvmvv联立式解得v2v1由题意知，b没有与墙发生碰撞，由功能关系可知vmgl联立式，可得联立式，a与b发生弹性碰撞，但b没有与墙发生碰撞的条件.【答案】章末综合测评(时间：60分钟满分：100分)一、选择题(本题共5小题，每小题6分，共30分，在每小题给出的5个选项中有3项符合题目要求选对1个得2分，选对2个得4分，选对3个得6分，每选错1个扣3分，最低得分为0分)1水平抛出在空中飞行的物体，不考虑空气阻力，则()a在相等的时间间隔内动量的变化相同b在任何时间内，动量变化的方向都是竖直向下c在任何时间内，动量对时间的变化率恒定d在刚抛出物体的瞬间，动量对时间的变化率为零e在刚抛出物体的瞬间，动量对时间的变化率最大【解析】做平抛运动的物体仅受重力作用，由动量定理得pmgt，因为在相等的时间内动量的变化量p相同，即大小相等，方向都是竖直向下的，从而动量的变化率恒定，故选项a、b、c正确，d、e错误【答案】abc2如图1所示，质量为m的小车静止在光滑的水平面上，小车上ab部分是半径为r的四分之一光滑圆弧，bc部分是粗糙的水平面今把质量为m的小物体从a点由静止释放，小物体与bc部分间的动摩擦因数为，最终小物体与小车相对静止于b、c之间的d点，则b、d间的距离x随各量变化的情况是()图1a其他量不变，r越大x越大b其他量不变，越大x越小c其他量不变，m越大x越大d其他量不变，m越大x越大e其他量不变，x与m、m均无关【解析】小车和小物体组成的系统水平方向的动量守恒且为零，所以当小车和小物体相对静止时，系统水平方向的总动量仍为零，则小车和小物体相对于水平面也静止，由能量守恒得mgxmgr，xr/，选项a、b、e正确【答案】abe3下列说法中正确的是 ()a根据f可把牛顿第二定律表述为：物体动量的变化率等于它受的合外力b力与力的作用时间的乘积叫做力的冲量，它反映了力的作用对时间的累积效应，是一个标量c动量定理的物理实质与牛顿第二定律是相同的，但有时用起来更方便d易碎品运输时要用柔软材料包装，船舷常常悬挂旧轮胎，都是为了延长作用时间以减小作用力e玻璃杯掉在水泥地上易碎，是因为受到的冲量太大【解析】a选项是牛顿第二定律的一种表达方式；冲量是矢量，b错；f是牛顿第二定律的最初表达方式，实质是一样的，c对；柔软材料起缓冲作用，延长作用时间，d对由动量定理知e错【答案】acd4如图2甲所示，在光滑水平面上的两小球发生正碰，小球的质量分别为m1和m2.图乙为它们碰撞前后的xt(位移时间)图象已知m10.1 kg.由此可以判断()图2a碰前m2静止，m1向右运动 b碰后m2和m1都向右运动cm20.3 kgd碰撞过程中系统损失了0.4 j的机械能e碰撞过程中系统的机械能守恒【解析】分析题图乙可知，碰前：m2处在位移为8 m的位置静止，m1位移均匀增大，速度v1 m/s4 m/s，方向向右；碰后：v1 m/s2 m/s，v2 m/s2 m/s，碰撞过程中动量守恒：m1v1m1v1m2v2得：m20.3 kg，碰撞损失的机械能：ekm1v0，故正确答案应选a、c、e.【答案】ace5如图3所示，甲、乙两车的质量均为m，静置在光滑的水平面上，两车相距为l.乙车上站立着一个质量为m的人，他通过一条轻绳拉甲车，甲、乙两车最后相接触，以下说法正确的是 ()图3a甲、乙两车运动中速度之比为b甲、乙两车运动中速度之比为c甲车移动的距离为ld乙车移动的距离为le乙车移动的距离为l【解析】本题类似人船模型甲、乙、人看成一系统，则水平方向动量守恒，甲、乙两车运动中速度之比等于质量的反比，即为，a正确，b错误；mx甲(mm)x乙，x甲x乙l，解得c、d正确，e错误【答案】acd二、非选择题(本题共5小题，共70分按题目要求作答)6(10分)如图4所示为“探究碰撞中的不变量”的实验装置示意图已知a、b小球的质量分别为ma、mb，半径分别为ra、rb，图中p点为单独释放a球的平均落点，m、n是a、b小球碰撞后落点的平均位置图4(1)本实验必须满足的条件是_a斜槽轨道必须是光滑的b斜槽轨道末端的切线水平c入射小球每次都从斜槽上的同一位置无初速度释放d入射球与被碰球满足mamb，rarb(2)为了验证动量守恒定律，需要测量op间的距离x1，则还需要测量的物理量有_、_(用相应的文字和字母表示)(3)如果动量守恒，须满足的关系式是_(用测量物理量的字母表示)【答案】(1)bc(2)测量om的距离x2测量on的距离x3(3)max1max2mbx3(写成maopmaommbon也可以)7(12分)如图5所示，在实验室用两端带有竖直挡板c和d的气垫导轨和有固定挡板的质量都是m的滑块a和b做“探究碰撞中的守恒量”的实验，实验步骤如下：图5.把两滑块a和b紧贴在一起，在a上放质量为m的砝码，置于导轨上，用电动卡销卡住a和b，在a和b的固定挡板间放入一轻弹簧，使弹簧处于水平方向上的压缩状态；.按下电钮使电动卡销放开，同时启动两个记录两滑块运动时间的电子计时器，当a和b与固定挡板c和d碰撞同时，电子计时器自动停表，记下a至c的运动时间t1，b至d的运动时间t2；.重复几次，取t1和t2的平均值(1)在调整气垫导轨时应注意_；(2)应测量的数据还有_；(3)只要关系式_成立，即可得出碰撞中守恒的量是mv的矢量和【解析】(1)导轨水平才能让滑块做匀速运动(2)需测出a左端、b右端到挡板c、d的距离x1、x2由计时器计下a、b到两板的时间t1、t2算出两滑块a、b弹开的速度v1，v2.(3)由动量守恒知(mm)v1mv20即：(mm).【答案】(1)使气垫导轨水平(2)滑块a的左端到挡板c的距离x1和滑块b的右端到挡板d的距离x2(3)(mm)8(16分)如图6所示，光滑平台上有两个刚性小球a和b，质量分别为2m和3m，小球a以速度v0向右运动并与静止的小球b发生碰撞(碰撞过程不损失机械能)，小球b飞出平台后经时间t刚好掉入装有沙子向左运动的小车中，小车与沙子的总质量为m，速度为2v0，小车行驶的路面近似看做是光滑的，求：图6(1)碰撞后小球a和小球b的速度；(2)小球b掉入小车后的速度 【导学号：66390016】【解析】(1)设a球与b球碰撞后速度分别为v1、v2，并取方向向右为正，光滑平台，两小球为弹性小球，碰撞过程遵循动量和机械能守恒，所以有mav0mav1mbv2有mavmavmbv由解得v1v0v2v0碰后a球向左，b球向右(2)b球掉入沙车的过程中系统水平方向动量守恒，有mbv2m车v3(mbm车)v3且v32v0得v3v0.【答案】(1)v1v0，碰后a球向左；v2v0，b球向右(2)v3v0，方向向右9(16分)如图7所示，小球a质量为m，系在细线的一端，线的另一端固定在o点，o点到水平面的距离为h.物块b质量是小球的5倍，置于粗糙的水平面上且位于o点正下方，物块与水平面间的动摩擦因数为.现拉动小球使线水平伸直，小球由静止开始释放，运动到最低点时与物块发生正碰(碰撞时间极短)，反弹后上升至最高点时到水平面的距离为.小球与物块均视为质点，不计空气阻力，重力加速度为g，求碰撞过程物块获得的冲量及物块在地面上滑行的距离. 【导学号：66390017】图7