（新课标卷）河北省2013年高考物理二轮专题复习 动量教案

1 河北河北 20132013 年高考二轮专题复习教案年高考二轮专题复习教案 动量动量 一 动量和冲量 1 动量 物体的质量m和速度v的乘积叫做动量 p mv 动量是描述物体运动状态的一种状态量 它与时刻相对应 动量是矢量 它的方向和速度的方向相同 2 冲量 力F和力的作用时间t的乘积叫做冲量 I Ft 冲量是描述力的时间积累效应的物理量 是一种过程量 它与时间相对应 冲量是矢量 它的方向由力的方向决定 不能说和力的方向相同 如果力的方 向在作用时间内保持不变 那么冲量的方向就和力的方向相同 高中阶段只要求会用I Ft计算恒力的冲量 对于变力的冲量 高中阶段只能利用动 量定理通过物体的动量变化来求 冲量和功不同 恒力在一段时间内可能不做功 但一定有冲量 例 1 质量为m的小球由高为H倾角为 的光滑固定斜面顶端无初速滑到底端过程中 重力 弹力 合力的冲量各是多大 解 力的作用时间都是 力的大小依次是mg mgcos 和 g H g H t 2 sin 1 sin 2 2 mgsin 所以它们的冲量依次是 gHmI gHm I gHm I NG 2 tan 2 sin 2 合 特别要注意 该过程中弹力虽然不做功 但对物体有冲量 二 动量定理 1 动量定理 物体所受合力的冲量等于物体的动量变化 既I p 动量定理表明冲量是使物体动量发生变化的原因 冲量是物体动量变化的量度 这里所说的冲量是物体所受的合力的冲量 或者说是物体所受各外力冲量的矢量和 动量定理给出了冲量 过程量 和动量变化 状态量变化 间的互求关系 动量定理的表达式是矢量式 在一维的情况下 各个矢量必须以同一个规定的方 向为正 例 2 以初速度v0平抛出一个质量为m的物体 抛出后t秒内物体的动量变化是多少 解 本题若用动量变化求 将遇到矢量相减的问题 若利用动量定理求则相当简单 抛 出后物体所受合力就是重力 所以 p Ft mgt 有了动量定理 不论是求合力的冲量还是求物体动量的变化 都有了两种可供选择的等 价的方法 本题用冲量求解 比先求末动量 再求初 末动量的矢量差要方便得多 当合力 为恒力时往往用Ft来求较为简单 当合力为变力时 在高中阶段只能用 p来求 2 利用动量定理进行定量计算 利用动量定理解题 必须按照以下几个步骤进行 明确研究对象和研究过程 研究对象一般是一个物体 也可以是几个物体组成的 m H 2 质点组 质点组内各物体可以是保持相对静止的 也可以是相对运动的 研究过程既可 以是全过程 也可以是全过程中的某一阶段 进行受力分析 只分析研究对象以外的物体施给研究对象的力 研究对象内部的 相互作用力 内力 会改变系统内某一物体的动量 但不影响系统的总动量 因此当研 究对象为质点组时 不必分析内力 如果在所选定的研究过程中的不同阶段中物体的受 力情况不同 就要分别计算它们的冲量 然后求它们的矢量和 规定正方向 由于力 冲量 速度 动量都是矢量 在一维的情况下 列式前要 先规定一个正方向 和这个方向相同的矢量为正 和这个方向相反的矢量为负 写出研究对象的初 末动量和合外力的冲量 或选定方向上各外力在各个阶段的冲量 的矢量和 根据动量定理列式求解 例 3 质量为m的小球 从沙坑上方自由下落 经过时间t1到达沙坑表面 又经过时间 t2停在沙坑里 求 沙对小球的平均阻力F 小球在沙坑里下落过程所受的总冲 量I 解 设刚开始下落的位置为A 刚好接触沙的位置为B 在沙中到达的最低点为 C 在下落的全过程对小球用动量定理 重力作用时间为t1 t2 而阻力作用时间仅 为t2 以竖直向下为正方向 有 mg t1 t2 Ft2 0 解得 2 21 t ttmg F 仍然在下落的全过程对小球用动量定理 在t1时间内只有重力的冲量 在t2时间内 只有总冲量 已包括重力冲量在内 以竖直向下为正方向 有 mgt1 I 0 I mgt1 这种题本身并不难 也不复杂 但一定要认真审题 要根据题意所要求的冲量将各个外 力灵活组合 若本题目给出小球自由下落的高度 可先把高度转换成时间后再用动量定理 例 4 蹦床是运动员在一张绷紧的弹性网上蹦跳 翻滚并做各种空中动作的运动项目 质量为 60kg 的运动员 从离水平网面 3 2m 高处自由下落 着网后沿竖直方向蹦回到离水平 网面 5 0m 高处 已知运动员与网接触的时间为t 1 2s 若把在这段时间内网对运动员的作 用力F当作恒力处理 求F的大小 解 运动员下降 上升时间分别是和 从开始下落到反 s8 0 2 1 1 g h ts0 1 2 2 2 g h t 跳到最高点的全过程对运动员用动量定理 mg t1 t2 t Ft 0 F 1500N 例 5 如图所示 在倾角为30 的足够长的光滑斜面上有一质量为m的物体 它受到沿斜面方向的力F的作用 力F可按图 a b c d 所示的四种方 式随时间变化 图中纵坐标是F与mg的比值 力沿斜面向上为正 a b c d 已知此物体在t 0 时速度为零 若用v1 v2 v3 v4分别表示上述四种受力情况下物体 在 3s 末的速率 则这四个速率中最大的是 F mg t sO 0 5 0 5 1231 2 3 F mg t sO 0 5 0 5 2 3 F mg t sO 0 5 0 5 11 23 F mg 0 5 t sO 0 5 1 30 F A B C 3 A v1 B v2 C v3 D v4 解 F t图象中函数图线和t轴所围面积可以表示力F在时间t内的冲量 在前 3s 内重 力的下滑分力对物体的冲量总是 而前 3s 内F的冲量依次是 0 mg和 0 mg 2 3 mg 2 1 因此总冲量最大的是 c 图对应的情况 选C 三 动量守恒定律 1 动量守恒定律 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 即 m1v1 m2v2 m1v1 m2v2 实际上 对系统用动量定理 外力的冲量等于系统动量的变化 那么 当合外力为 零时 系统总动量不变 这就是动量守恒 与机械能守恒对照 机械能守恒的条件是 只有重力做功 而动量守恒的条件是 合 外力为零 动量守恒可由动量定理推出 而机械能守恒可由机械能定理推出 例 6 如图 两滑块用轻弹簧相连 放在光滑水平面上 用水平力F压B使A靠在竖直 墙上 使弹簧被压缩到一定程度而静止 这时突然撤去F 在A离开墙前和 离开墙后 系统的机械能守恒吗 动量守恒吗 为什么 解 A离开墙前墙对系统有弹力 因此系统动量不守恒 但该弹力对系 统不做功 因此系统机械能守恒 A离开墙后 系统所受合外力为零 且没有摩擦和介质阻 力 因此系统动量 机械能都守恒 2 动量守恒定律成立条件的判定 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 子弹打木块 列车撞接等 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 物块沿斜面下滑不 计任何摩擦阻力时 水平方向动量守恒 3 动量守恒定律的表达形式 除了m1v1 m2v2 m1v1 m2v2 即p1 p2 p1 p2 外 还有 p1 p2 0 p1 p2 对两个物体组成的系统 两物体的动量变化等大反向 与机械能守恒不同的是 动量变化也是矢量 因此不能说 系统增加的动量与减少 的动量等大 如静止的铀核发生 衰变 反冲核和 粒子的动量的动量变化大小相 同 方向相反 动量变化的矢量和是零 但两个动量都增大了 4 动量守恒定律的重要意义 动量守恒定律和能量守恒定律是物理学中最基本的普适原理 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 相反 每当在实验中观察到似乎是违反 动量守恒定律的现象时 物理学家们就会提出新的假设来补救 最后总是以有新的发现而胜 利告终 例如静止的原子核发生 衰变放出电子时 按动量守恒 反冲核应该沿电子的反 方向运动 但云室照片显示 两者径迹不在一条直线上 为解释这一反常现象 1930 年泡利 提出了中微子假说 由于中微子既不带电又几乎无质量 在实验中极难测量 直到 1956 年 人们终于首次证明了中微子的存在 四 动量守恒定律的应用 1 两体碰撞 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 AB F 4 般都满足内力远大于外力 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 仔细分析两物体发生碰撞的全过程中动量和能量的变化 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 若A B弹性都很好 撤去外力后能完全 恢复原状 则可以等效为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 以后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 全过程系统动量是守恒的 21 vv 和 机械能也是守恒的 系统减少的动能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 在 全过程对系统用动量守恒和能量守恒 m1v1 m1v1 m2v2 由此方程组解得A B的最终速度分别 2 22 2 11 2 11 2 1 2 1 2 1 vmvmvm 为 这个结论要背下来 以后经常会用到 1 21 1 21 21 21 1 2 v mm m vv mm mm v 对应图象 若A B完全没有弹性 撤去外力后保持形变 不能恢复原状 系统减少的动 能全部转化为内能 分子动能或分子势能 由于没有弹性 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 在 过程用动量守恒和能量守恒 m1v1 m1 m2 v 由此方程组解得 2 21 2 11 2 1 2 1 vmmvmEk A B最终的共同速度为 1 21 1 v mm m v 系统的动能损失为 这个结论要背下来 以 21 2 1212 21 2 11 22 1 2 1 mm vmm vmmvmEk 后经常会用到 若A B的弹性介于以上两种情况之间 则 系统动能减少 一部分转化为弹性势 能 一部分转化为内能 弹性势能转化为动能 两物体分开 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 A B的末速度将介于上述两种结论之间 例 7 质量为M的楔形物块上有圆弧轨道 静止在水平面上 质 量为m的小球以速度v1向物块运动 不计一切摩擦 圆弧小于 90 且 足够长 求小球能上升到的最大高度H 和物块的最终速度v 解 系统水平方向动量守恒 全过程机械能也守恒 在小球上升过程中 由水平方向系统动量守恒得 mv1 M m v v1 t v tO v0 v O v0 v tO v0 m1 m2 m1 m2 m1 m2 v1 v v1 v2 AABABAB 5 由系统机械能守恒得 解得 mgHvmMmv 22 1 2 1 2 1 gmM Mv H 2 2 1 全过程系统水平动量守恒 机械能守恒 相当于弹性碰撞 得 1 2 v mM m v 本题和上面分析的弹性碰撞过程的本质是相同 唯一的不同点仅在于中间过程的重力势 能代替了弹性势能 例 8 如图所示 质量为m的由绝缘材料制成的球与质量为M 19m的金 属球并排悬挂 现将绝缘球拉至与竖直方向成 60 的位置自由释放 下 摆后在最低点处与金属球发生弹性碰撞 在平衡位置附近存在垂直于纸面的 磁场 已知由于磁场的阻尼作用 金属球将于再次碰撞前停在最低点处 求 经过几次碰撞后绝缘求偏离竖直方向的最大角度将小于 45 解 两球碰撞过程动量守恒 机械能守恒 是弹性碰撞 每次碰后绝缘 小球反向弹回的速度是碰前的 0 9 倍 动能是碰前的 0 81 倍 每次小球上摆 下摆过程机 械能守恒 h v2 设高度由h 0 5 降低到h 0 293l 需要的次数为n 其中 2 l l 2 2 1 0 81n 0 586 得n 3 即经过三次碰撞后绝缘求偏离竖直方向的最大角度将小 n h h 81 0 于 45 例 9 质量为m1 1kg 的滑块以 6m s 的速度沿光滑水平面向质量为m2 2kg 的静止滑 块运动 并发生正碰 碰后两滑块的速度可能分别是 A 3m s 4 5m s B 1m s 3 5m s C 3m s 1 5m s D 2m s 3m s 解法 1 先判断是否符合动量守恒 可排除 D 再判断动能是否没有增加 可排除 A 还要判断顺序是否合理 可排除 C 只有 B 是可能的 解法 2 先确定它们速度的取值范围 若是弹性碰撞 v1 2m s v2 4m s 若是 完全非弹性碰撞 v1 v2 2m s 因此两者速度应同时满足以下关系 v1 2 2 v2 2 4 在此范围内 凡符合动量守恒的解就都是可能的 选 B 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 碰后两个物体的位置关系 不穿越 和速度大小合理 2 反冲问题 在某些情况下 原来系统内物体具有相同的速度 发生相互作用后各部分的末速度不再 相同而分开 这类问题相互作用过程中系统的动能增大 有其它能向动能转化 这类问题统 称为反冲 反冲可以看作是完全非弹性碰撞的逆过程 例 10 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 船左端离岸多远 解 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 L mM m l 2 l2 l1 6 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 做这类题目 首先要画好示意图 要特别注意两个物体相对于地面的移动方向和两 个物体位移大小之间的关系 以上所列举的人 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 那就不能再用m1v1 m2v2这种形式列方程 而要利用 m1 m2 v0 m1v1 m2v2列式 例 11 总质量为M的火箭模型 从飞机上释放时的速度为v0 速度方向水平 火箭向后 以相对于地面的速率u喷出质量为m的燃气后 火箭本身的速度变为多大 解 火箭喷出燃气前后系统动量守恒 喷出燃气后火箭剩余质量变为M m 以v0方向为 正方向 mM muMv vvmMmuMv 0 0 五 力学综合 我们已经复习了牛顿运动定律 动能定理和动量定理 它们分别反映了力的瞬时作用效应 力的空间积累效应和力的时间积累效应 我们还复习了机械能守恒定律 动量守恒定律 解决 力 学问题离不开牛顿运动定律 功和能 冲量和动量这三种解题思路 当研究对象是一个物体 该物体受的合力又是恒力时 牛顿定律 动能定理和动 量定理是完全等效的 牛顿第二定律 F ma 上式两边同乘以时间t Ft mat m vt v0 就是动量定理 上式两边同乘以位移s Fs mas 就是动能定理 2 1 2 2 2 1 2 1 mvmv 若需要求物体在某一时刻或某一位置的加速度 往往用牛顿第二定律 若物体受的合外 力是变力 或不同阶段受力情况不同 选用动量定理或动能定理解题就比较方便了 当研究对象是几个物体组成的系统时 一般要用动量守恒和机械能守恒 或能量守恒 结合起来解题 在比较复杂的题目中 这三种手段往往是交替使用的 例 12 如图所示 a b c三个相同的小球 a从光滑斜面顶端由静止开始自由下滑 同时b c从同一高度分别开始自由下落和平抛 下列说法正确的有 A 它们同时到达同一水平面 B 重力对它们的冲量相同 C 它们的末动能相同 D 它们动量变化的大小相同 解 b c飞行时间相同 都是 a与b比较 两者平均速度大小相同 末动能相同 g h2 但显然a的位移大 所以用的时间长 因此A B 都不对 由于机械能守恒 c的机械能最大 有初动能 到地面时末动能也大 因此C 也不对 a b的初动量都是零 末动量大小又相 同 所以动量变化大小相同 b c所受冲量相同 所以动量变化大小也相同 故D 正确 例 13 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 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 子弹和木块最后共同运动 相当于完全非弹性碰撞 作为一个模型 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 a b c 7 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 从动量的角度看 子弹射入木块过程中系统动量守恒 mv0 M m v 从动能的角度看 设平均阻力大小为f 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 22 01 2 1 2 1 mvmvsf 对木块用动能定理 2 2 2 1 Mvsf 两式相减得 2 0 22 0 22 1 2 1 v mM Mm vmMmvdf 式的物理意义是 f d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Qdf 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 而不是位移 由 式不难求得平均阻力的大小 dmM Mmv f 2 2 0 至于木块前进的距离s2 可以由以上 相比得出 d mM m s 2 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 位移与平均速度成正比 d mM m s m mM v v s d v vv v vv s ds 2 0 2 00 2 2 2 2 一般情况下 所以s2 m时 相对静止时的共同速度必向左 不会再次与墙相碰 可求得摩擦生热是 当M m时 最终共同速度为零 摩擦生热等于系统的初动能 mM Mmv Q 2 2 当M m时 相对静止时的共同速度必向右 再次与墙相碰 直到小车停 2 2 1 vmMQ 在墙边 摩擦生热也等于系统的初动能 2 2 1 vmMQ m v M v 2v A BC A B F f 9 例 17 质量为m的长木板A静止在光滑水平面上 另两个质量也是m的铁块B C同时 从A的左右两端滑上A的上表面 初速度大小分别为v和 2v B C与A间的动摩擦因数均 为 已知以后的运动过程中B C始终没有相撞 试分析B C滑上长木板A后 A的运 动状态如何变化 为使B C不相撞 A木板至少多长 解 B C都相对于A滑动时 A所受合力为零 保持静止 这段时间为 t1 v g B 刚好相对于A 静止时 C的速度为v A开向左