2019年高考物理一轮复习 第六章 动量守恒定律 第2讲 碰撞 反冲和火箭课件.ppt

第2讲碰撞反冲和火箭 第六章动量守恒定律 内容索引 基础知识梳理 命题点一碰撞问题分析 命题点二弹性正碰模型问题 命题点三反冲运动及应用 盘查拓展点 课时作业 1 基础知识梳理 1 一 碰撞及特征1 碰撞碰撞是两个或两个以上的物体在相同的时间内产生的相互作用的过程 2 碰撞特征 1 作用时间 2 作用力变化 3 内力外力 4 满足 极短 非常大 短 快 远大于 动量守恒 二 三种碰撞类型1 弹性碰撞 1 动量守恒 m1v1 m2v2 m1v1 m2v2 当v2 0时 有v1 v2 3 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 即v1 v2 v2 v1 交换速度 2 非弹性碰撞 1 动量守恒 m1v1 m2v2 m1v1 m2v2 2 机械能减少 损失的机械能转化为内能 Ek Ek初 Ek末 Q3 完全非弹性碰撞 1 动量守恒 m1v1 m2v2 m1 m2 v共 2 碰撞中机械能损失最多 Ek 三 碰撞现象满足的规律 1 动量守恒定律 2 机械能不 弹性碰撞机械能守恒 非弹性碰撞机械能减少 3 速度要合理 碰前两物体同向运动 若要发生碰撞 则应有v后v前 填 或 碰后原来在前的物体速度一定 若碰后两物体同向运动 则应有v前 v后 碰前两物体相向运动 碰后两物体的运动方向不可能都不改变 增加 增大 四 爆炸和反冲运动1 爆炸爆炸过程中的内力远大于外力 爆炸的各部分组成的系统总动量 2 反冲运动 1 物体在内力作用下分裂为两个不同部分并且这两部分向方向运动的现象 2 反冲运动中 相互作用力一般较大 通常可以用定律来处理 守恒 相反 动量守恒 1 多选 A B两球在光滑水平面上做相向运动 已知mA mB 当两球相碰后 其中一球停止 则可以断定A 碰前A的动量等于B的动量B 碰前A的动量大于B的动量C 若碰后A的速度为零 则碰前A的动量大于B的动量D 若碰后B的速度为零 则碰前A的动量小于B的动量 答案 2 将静置在地面上 质量为M 含燃料 的火箭模型点火升空 在极短时间内以相对地面的速度v0竖直向下喷出质量为m的炽热气体 忽略喷气过程重力和空气阻力的影响 则喷气结束时火箭模型获得的速度大小是 答案 3 人教版选修3 5P21第2题 质量为m 速度为v的A球跟质量为3m的静止B球发生正碰 碰撞可能是弹性的 也可能是非弹性的 因此 碰撞后B球的速度允许有不同的值 请你论证 碰撞后B球的速度可能是以下值吗 1 0 6v 2 0 4v 3 0 2v 答案 2 可能 解析 若是弹性碰撞 mv mv1 3mv2 若是完全非弹性碰撞 则 4 人教版选修3 5P24第1题 一个连同装备共有100kg的宇航员 脱离宇宙飞船后 在离飞船45m的位置与飞船处于相对静止状态 装备中有一个高压气源 能以50m s的速度喷出气体 宇航员为了能在10min内返回飞船 他需要在开始返回的瞬间一次性向后喷出多少气体 答案 0 15kg 解析 取宇航员连同装备整体为研究对象 0 M m v1 mv2x v1t解得 m 0 15kg 2 1 2 命题点一碰撞问题分析 物体的碰撞是否为弹性碰撞的判断弹性碰撞是碰撞过程中无机械能损失的碰撞 遵循的规律是动量守恒定律和机械能守恒定律 确切地说是碰撞前后系统动量守恒 动能不变 1 题目中明确告诉物体间的碰撞是弹性碰撞 2 题目中明确告诉是弹性小球 光滑钢球或分子 原子等微观粒子 碰撞的 都是弹性碰撞 如图所示 一质量M 2kg的带有弧形轨道的平台置于足够长的水平轨道上 弧形轨道与水平轨道平滑连接 水平轨道上静置一小球B 从弧形轨道上距离水平轨道高h 0 3m处由静止释放一质量mA 1kg的小球A 小球A沿轨道下滑后与小球B发生弹性正碰 碰后小球A被弹回 且恰好追不上平台 已知所有接触面均光滑 重力加速度为g 10m s2 求小球B的质量 例1 答案 解析 分析 3kg A反弹后速度与轨道速度相等 小球和轨道系统0 mAv1 Mv 联立解得v1 2m s v 1m s 恰好追不上平台 A反弹后速度v1 1m s对A B系统mAv1 mAv1 mBv2 联立解得mB 3kg 处理碰撞问题的思路和方法1 对一个给定的碰撞 首先要看动量是否守恒 其次再看总动能是否增加 2 一个符合实际的碰撞 除动量守恒外还要满足能量守恒 注意碰撞完成后不可能发生二次碰撞的速度关系的判定 1 多选 两个小球A B在光滑水平面上相向运动 已知它们的质量分别是m1 4kg m2 2kg A的速度v1 3m s 设为正 B的速度v2 3m s 则它们发生正碰后 其速度可能分别是A 均为1m sB 4m s和 5m sC 2m s和 1m sD 1m s和5m s 答案 解析 由动量守恒 可验证四个选项都满足要求 再看动能情况 由于碰撞过程动能不可能增加 所以应有Ek Ek 可排除选项B 选项C虽满足Ek Ek 但A B沿同一直线相向运动 发生碰撞后各自仍能保持原来的速度方向 vA 0 vB 0 这显然是不符合实际的 因此C错误 验证选项A D均满足Ek Ek 故答案为选项A 完全非弹性碰撞 和选项D 弹性碰撞 2 多选 A B两物体在光滑水平面上沿同一直线运动 图表示发生碰撞前后的v t图线 由图线可以判断A A B的质量比为3 2B A B作用前后总动量守恒C A B作用前后总动量不守恒D A B作用前后总动能不变 答案 解析 碰前 碰后 分析 根据动量守恒定律 mA 6 mB 1 mA 2 mB 7 得 mA mB 3 2 故A正确 根据动量守恒知A B作用前后总动量守恒 B正确 C错误 3 如图所示 粗糙的水平面连接一个竖直平面内的半圆形光滑轨道 其半径为R 0 1m 半圆形轨道的底端放置一个质量为m 0 1kg的小球B 水平面上有一个质量为M 0 3kg的小球A以初速度v0 4 0m s开始向着小球B滑动 经过时间t 0 80s与B发生弹性碰撞 设两小球均可以看做质点 它们的碰撞时间极短 且已知小球A与水平面间的动摩擦因数 0 25 求 1 两小球碰前A的速度 答案 解析 2m s 碰前对A Mgt MvA Mv0解得 vA 2m s 2 小球B运动到最高点C时对轨道的压力 答案 解析 4N 方向竖直向上 对A沿圆轨道运动时 MvA 2 MgR 3 小球A所停的位置距圆轨道最低点的距离 答案 解析 0 2m 因此A沿圆轨道运动到最高点后又原路返回到最低点 此时A的速度大小为1m s Mgs 0 MvA 2解得 s 0 2m 1 3 命题点二弹性正碰模型问题 模型介绍 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碰撞 如图所示 质量为M的滑块静止在光滑的水平面上 滑块的光滑弧面底部与水平面相切 一质量为m的小球以速度v0向滑块滚来 设小球不能越过滑块 求小球滑到最高点时滑块的速度大小 例2 答案 解析 分析 mv0 m M v 则滑块的速度为v 4 多选 如图所示 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A 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mv02 答案 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 小球离开小车时类似完全弹性碰撞 两者速度互换 故A C D都是正确的 1 4 命题点三反冲运动及应用 1 反冲 1 现象 物体的不同部分在内力的作用下向相反方向运动 2 特点 一般情况下 物体间的相互作用力 内力 较大 反冲运动中平均动量守恒 机械能往往不守恒 3 实例 喷气式飞机 火箭等 2 爆炸的特点 1 动量守恒 由于爆炸是在极短的时间内完成的 爆炸时物体间的相互作用力远远大于受到的外力 所以在爆炸过程中 系统的总动量守恒 2 动能增加 在爆炸过程中 由于有其他形式的能量 如化学能 转化为动能 所以爆炸后系统的总动能增加 3 位移不变 爆炸的时间极短 因而作用过程中物体运动的位移很小 一般可忽略不计 可以认为爆炸后仍然从爆炸时的位置以新的动量开始运动 3 火箭获得的最终速度火箭发射前的总质量为M 燃料燃尽后的质量为m 火箭燃气的喷射速度为v1 如图所示 燃料燃尽后火箭的飞行速度v为多大 在火箭发射过程中 由于内力远大于外力 所以动量守恒 发射前的总动量为0 发射后的总动量为 M m v1 mv 以火箭的速度方向为正方向 则 M m v1 mv 0所以v 1 v1燃料燃尽时火箭获得的最终速度由喷气速度及质量比决定 一火箭喷气发动机每次喷出m 200g的气体 气体离开发动机喷出时的速度v 1000m s 设火箭质量M 300kg 发动机每秒钟喷气20次 1 当第三次喷出气体后 火箭的速度为多大 例3 答案 解析 2m s 三次气体一次喷出 2 运动第1s末 火箭的速度为多大 答案 13 5m s 分析 5 运送人造地球卫星的火箭开始工作后 火箭做加速运动的原因是A 燃料推动空气 空气反作用力推动火箭B 火箭发动机用力将燃料产生的气体向后推出 气体的反作用力推动火箭C 火箭吸入空气 然后向后排出 空气对火箭的反作用力推动火箭D 火箭燃料燃烧发热 加热周围空气 空气膨胀推动火箭 答案 1 5 盘查拓展点 人船模型 问题的特点和分析1 人船模型 问题两个原来静止的物体发生相互作用时 若所受外力的矢量和为零 则动量守恒 在相互作用的过程中 任一时刻两物体的速度大小之比等于质量的反比 这样的问题归为 人船模型 问题 2 人船模型的特点 1 两物体满足动量守恒定律 m1v1 m2v2 0 2 运动特点 人动船动 人静船静 人快船快 人慢船慢 人左船右 人船位移比等于它们质量的反比 人船平均速度 瞬时速度 比等于它们质量的反比 即 3 应用此关系时要注意一个问题 公式v1 v2和x一般都是相对地面而言的 如图所示 长为L 质量为M的小船停在静水中 质量为m的人从静止开始从船头走到船尾 不计水的阻力 求船和人相对地面的位移各为多少 典例1 答案 解析 人船系统mv1 Mv2 如图所示 一个倾角为 的直角斜面体静置于光滑水平面上 斜面体质量为M 顶端高度为h 今有一质量为m的小物体 沿光滑斜面下滑 当小物体从斜面顶端自由下滑到底端时 斜面体在水平面上移动的距离是 典例2 答案 解析 0 mx1 Mx2 人船模型 问题应注意以下两点1 适用条件 1 系统由两个物体组成且相互作用前静止 系统总动量为零 2 在系统内发生相对运动的过程中至少有一个方向的动量守恒 如水平方向或竖直方向 2 画草图 解题时要画出各物体的位移关系草图 找出各长度间的关系 注意两物体的位移是相对同一参考系的位移 6 5 6 课时作业 1 两球A B在光滑水平面上沿同一直线 同一方向运动 mA 1kg mB 2kg vA 6m s vB 2m s 当A追上B并发生碰撞后 两球A B速度的可能值是A vA 5m s vB 2 5m sB vA 2m s vB 4m sC vA 4m s vB 7m sD vA 7m s vB 1 5m s 答案 解析 1 2 3 4 5 6 7 8 虽然题中四个选项均满足动量守恒定律 但A D两项中 碰后A的速度vA 大于B的速度vB 必然要发生第二次碰撞 不符合实际 而B项既符合实际情况 也不违背能量守恒定律 故B项正确 1 2 3 4 5 6 7 8 2 多选 如图甲所示 在光滑水平面上的两个小球发生正碰 小球的质量分别为m1和m2 图乙为它们碰撞前后的x t图象 已知m1 0 1kg 由此可以判断A 碰前m2静止 m1向右运动B 碰后m2和m1都向右运动C m2 0 3kgD 碰撞过程中系统损失了0 4J的机械能 答案 解析 1 2 3 4 5 6 7 8 由图读出 碰后m2的速度为正方向 说明向右运动 m1的速度为负方向 说明向左运动 故B错误 由图求出碰后m2和m1的速度分别为v2 2m s v1 2m s 根据动量守恒定律得 m1v1 m2v2 m1v1 代入解得 m2 0 3kg 故C正确 1 2 3 4 5 6 7 8 3 多选 质量为M和m0的滑块用轻弹簧连接 以恒定的速度v沿光滑水平面运动 与位于正对面的质量为m的静止滑块发生碰撞 如图所示 碰撞时间极短 在此过程中 下列情况可能发生的是A M m0 m速度均发生变化 分别为v1 v2 v3 而且满足 M m0 v Mv1 m0v2 mv3B m0的速度不变 M和m的速度变为v1和v2 而且满足Mv Mv1 mv2C m0的速度不变 M和m的速度都变为v 且满足Mv M m v D M m0 m速度均发生变化 M m0速度都变为v1 m的速度变为v2 且满足 M m v0 M m v1 mv2 答案 解析 1 2 3 4 5 6 7 8 碰撞的瞬间M和m组成的系统动量守恒 m0的速度在瞬间不变 以M的初速度方向为正方向 若碰后M和m的速度变为v1和v2 由动量守恒定律得 Mv Mv1 mv2 若碰后M和m速度相同 由动量守恒定律得 Mv M m v 1 2 3 4 5 6 7 8 4 如图所示 质量为m2 2kg和m3 3kg的物体静止放在光滑水平面上 两者之间有压缩着的轻弹簧 与m2 m3不拴接 质量为m1 1kg的物体以速度v0 9m s向右冲来 为防止冲撞 释放弹簧将m3物体发射出去 m3与m1碰撞后粘合在一起 试求 1 m3的速度至少为多大 才能使以后m3和m2不发生碰撞 答案 解析 1m s 1 2 3 4 5 6 7 8 设m3发射出去的速度为v1 m2的速度为v2 以向右的方向为正方向 对m2 m3 由动量守恒定律得 m2v2 m3v1 0 只要m1和m3碰后速度不大于v2 则m3和m2就不会再发生碰撞 m3和m2恰好不相撞时 两者速度相等 对m1 m3 由动量守恒定律得 m1v0 m3v1 m1 m3 v2解得 v1 1m s即弹簧将m3发射出去的速度至少为1m s 1 2 3 4 5 6 7 8 2 为保证m3和m2恰好不发生碰撞 弹簧的弹性势能至少为多大 答案 解析 3 75J 对m2 m3及弹簧 由机械守恒定律得 Ep m3v12 m2v22 3 75J 1 2 3 4 5 6 7 8 5 两名质量相等的滑冰人甲和乙都静止在光滑的水平冰面上 现在 其中一人向另一个人抛出一个篮球 另一人接球后再抛回 如此反复进行几次之后 甲和乙最后的速率关系是A 若甲最先抛球 则一定是v甲 v乙B 若乙最后接球 则一定是v甲 v乙C 只有甲先抛球 乙最后接球 才有v甲 v乙D 无论怎样抛球和接球 都是v甲 v乙 答案 1 2 3 4 5 6 7 8 6 如图所示 具有一定质量的小球A固定在轻杆一端 另一端挂在小车支架的O点 用手将小球拉至水平 此时小车静止于光滑水平面上 放手让小球摆下与B处固定的橡皮泥碰击后粘在一起 则在此过程中小车将A 向右运动B 向左运动C 静止不动D 小球下摆时 车向左运动后又静止 答案 解析 1 2 3 4 5 6 7 8 水平方向上 系统不受外力 因此在水平方向上动量守恒 小球下落过程中 水平方向具有向右的分速度 因此为保证动量守恒 小车要向左运动 当撞到橡皮泥 是完全非弹性碰撞 A球和小车大小相等 方向相反的动量恰好抵消掉 小车会静止 1 2 3 4 5 6 7 8 7 如图所示 光滑水平面上有三个滑块A B C 质量关系是mA mC m mB 开始时滑块B C紧贴在一起 中间夹有少量炸药 处于静止状态 滑块A以速度v0正对B向右运动 在A未与B碰撞之前 引爆了B C间的炸药 炸药爆炸后B与A迎面碰撞 最终A与B粘在一起 以速率v0向左运动 求 1 炸药爆炸过程中炸药对C的冲量 答案 解析 见解析 1 2 3 4 5 6 7 8 全过程 A B C组成的系统动量守恒mAv0 mA mB v0 mCvC炸药对C的冲量 I mCvC 0解得 I mv0 方向向右 1 2 3 4 5 6 7 8 2 炸药的化学能有多少转化为机械能 答案 解析 见解析 炸药爆炸过程 B和C组成的系统动量守恒mCvC mBvB 0据能量关系 E vB2 mvC2解得 E mv02 1 2 3 4 5 6 7 8 8 如图所示 光滑水平轨道右边与墙壁连接 木块A B和半径为0 5m的光滑圆轨道C静置于光滑水平轨道上 A B C质量分别为1 5kg 0 5kg 4kg 现让A以6m s的速度水平向右运动 之后与墙壁碰撞 碰撞时间为0 3s 碰后速度大小变为4m s 当A与B碰撞后会立即粘在一起运动 已知g 10m s2 求 1 A与墙壁碰撞过程中 墙壁对小球平均作用力的大小 答案 解析 50N 1 2 3 4 5 6 7 8 A与墙壁碰撞过程 规定水平向左为正 对A由动量定理有 Ft mAv2 mA v1 解得F 50N 1 2 3 4 5 6 7 8 2 AB第一次滑上圆轨道所能达到的最大高度h 答案 解析 0 3m A与B碰撞过程 对A B系统 水平方向动量守恒有 mAv2 mB mA v3A B滑上斜面到最高点的过程 对A B C系统 水平方向动量守恒有 mB mA v3 mB mA mC v4 解得h 0 3m 1 2 3 4 5 6 7 8