2019年高考物理一轮复习 第六章 动量守恒定律及其应用 第2讲 动量守恒定律学案.doc

第2讲动量守恒定律板块一主干梳理夯实基础【知识点1】动量守恒定律及其应用1几个相关概念(1)系统：在物理学中，将相互作用的几个物体所组成的物体组称为系统。(2)内力：系统内各物体之间的相互作用力叫做内力。(3)外力：系统以外的其他物体对系统的作用力叫做外力。2动量守恒定律(1)内容：如果一个系统不受外力，或者所受外力的矢量和为0，这个系统的总动量保持不变，这就是动量守恒定律。(2)表达式pp，系统相互作用前总动量p等于相互作用后的总动量p。m1v1m2v2m1v1m2v2，相互作用的两个物体组成的系统，作用前的动量和等于作用后的动量和。p1p2，相互作用的两个物体动量的增量等大反向。p0，系统总动量的增量为零。(3)适用条件理想守恒：系统不受外力或所受外力的合力为零，则系统动量守恒。近似守恒：系统受到的合力不为零，但当内力远大于外力时，系统的动量可近似看成守恒。某方向守恒：系统在某个方向上所受合力为零时，系统在该方向上动量守恒。【知识点2】弹性碰撞和非弹性碰撞1碰撞碰撞是指物体间的相互作用持续时间很短，而物体间相互作用力很大的现象。2特点在碰撞现象中，一般都满足内力远大于外力，可认为相互碰撞的系统动量守恒。3分类动量是否守恒机械能是否守恒弹性碰撞守恒守恒非弹性碰撞守恒有损失完全非弹性碰撞守恒损失最大4反冲现象(1)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。这类问题相互作用的过程中系统的动能增大，且常伴有其他形式能向动能的转化。(2)反冲运动的过程中，如果合外力为零或外力的作用远小于物体间的相互作用力，可利用动量守恒定律来处理。5爆炸问题爆炸与碰撞类似，物体间的相互作用力很大，且远大于系统所受的外力，所以系统动量守恒，爆炸过程中位移很小，可忽略不计，作用后从相互作用前的位置以新的动量开始运动。板块二考点细研悟法培优考点1动量守恒定律深化理解1动量守恒的“五性”(1)矢量性：表达式中初、末动量都是矢量，首先需要选取正方向，分清各物体初、末动量的正、负。(2)瞬时性：动量是状态量，动量守恒指对应每一时刻的总动量都和初时刻的总动量相等。(3)同一性：速度的大小跟参考系的选取有关，应用动量守恒定律，各物体的速度必须是相对同一惯性参考系的速度。一般选地面为参考系。(4)相对性：动量守恒定律方程中的动量必须是相对于同一惯性参考系。(5)普适性：它不仅适用于两个物体所组成的系统，也适用于多个物体组成的系统；不仅适用于宏观物体组成的系统，也适用于微观粒子组成的系统。2应用动量守恒定律解题的步骤例1如图所示，质量为m245 g的物块(可视为质点)放在质量为M0.5 kg的木板左端，足够长的木板静止在光滑水平面上，物块与木板间的动摩擦因数为0.4。质量为m05 g的子弹以速度v0300 m/s 沿水平方向射入物块并留在其中(时间极短)，g取10 m/s2。子弹射入后，求：(1)物块相对木板滑行的时间；(2)物块相对木板滑行的位移。(1)时间极短说明了什么？提示：子弹与物块作用时，物块的位置没发生变化；子弹与物块作用结束后，物块与木板才相互作用。(2)物体相对木板滑行的位移是物块的位移吗？提示：不是。尝试解答(1)1_s_(2)3_m。(1)子弹打入木块过程，由动量守恒定律得m0v0(m0m)v1，木块在木板上滑动过程，由动量守恒定律得(m0m)v1(m0mM)v2，对子弹木块整体，由动量定理得(m0m)gt(m0m)(v2v1)，联立解得物体相对小车的滑行时间t1 s。(2)由能量守恒定律得(m0m)gd(m0m)v(m0mM)v，联立解得d3 m。总结升华应用动量守恒定律应注意的问题(1)在同一物理过程中，系统的动量是否守恒与系统的选取密切相关，因此应用动量守恒解决问题时，一定要明确哪些物体组成的系统在哪个过程中动量是守恒的。(2)注意挖掘题目中的隐含条件，这是解题的关键，如本例中，时间极短是指子弹与物块相互作用时，物块m位置没变，子弹与物块m共速后，才相对木板M运动。物块相对木板滑行的位移是指物块m相对木板M滑行的位移，并非对地的位移，并且物块m和木板最后共速。1.如图所示，在桌面边缘有一木块质量是1.99 kg，桌子高h0.8 m，一颗质量为10 g的子弹，击中木块，并留在木块内，落在桌子右边80 cm处的P点，子弹入射的速度大小是下列哪个数据(g取10 m/s2)()A200 m/s B300 m/sC400 m/s D500 m/s答案C解析题目牵涉的过程有两个：一是子弹打击木块；二是子弹木块共同做平抛运动。根据平抛位移x0.8 m知xv共t，t，所以v共x2 m/s。子弹打击木块过程中动量守恒，则有mv0(Mm)v共，所以v0400 m/s，C正确。2. 2018宁夏固原市一中月考如图所示，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桌面相切，一个质量为m的球以速度v0向滑块滚来，小球不能越过滑块，则小球到达最高点时，小球和滑块的速度大小是()A.B.C.D.答案A解析小球沿滑块上滑的过程中，对小球和滑块组成系统，水平方向不受外力因而动量守恒，小球到达最高点时和滑块具有相同的对地速度v(若速度不相同，必然相对滑块运动，此时一定不是最高点)。由水平方向动量守恒得：mv0(Mm)v，所以v，A正确。考点2碰撞问题分析模型应用1分析碰撞问题的三个依据(1)动量守恒，即p1p2p1p2。(2)动能不增加，即Ek1Ek2Ek1Ek2或。(3)速度要合理碰前两物体同向，则v后v前；碰后，原来在前的物体速度一定增大，且v前v后。两物体相向运动，碰后两物体的运动方向不可能都不改变。2弹性碰撞的规律两球发生弹性碰撞时应满足动量守恒和机械能守恒。以质量为m1，速度为v1的小球与质量为m2的静止小球发生正面弹性碰撞为例，则有m1v1m1v1m2v2m1vm1v12m2v22由得v1v2结论：(1)当m1m2时，v10，v2v1，两球碰撞后交换了速度。(2)当m1m2时，v10，v20，并且v1v2，碰撞后两球都向前运动。(3)当m1m2时，v10，碰撞后质量小的球被反弹回来。例2两个小球A、B在光滑水平面上沿同一直线运动，其动量大小分别为5 kgm/s和7 kgm/s，发生碰撞后小球B的动量大小变为10 kgm/s，由此可知：两小球的质量之比可能为()A.1 B.C.D.(1)A、B两小球动量大小分别为5 kgm/s和7 kgm/s有几种情况？提示：同向运动，A球在前，B球在后；同向运动，A球在后，B球在前；相向运动。(2)发生碰撞时，一定守恒的是什么？提示：动量。尝试解答选C。将两小球碰撞前后的动量方向间的关系作出如下各种假设，然后运用碰撞的三个制约因素进行检验。(1)设A、B两小球相向运动而发生碰撞，并取小球B碰前的运动方向为参考正方向，即pA05 kgm/s，pB07 kgm/s根据“运动制约”，小球B在碰后动量欲增大，其动量方向必与原动量方向相反，即pB10 kgm/s根据“动量制约”，小球A在碰后动量必为pA12 kgm/s，而这样的碰撞结果显然违背了“动能制约”，因为显然有：。(2)设A、B两小球同向运动而发生碰撞，且A球在前，B球在后，取两小球碰前的运动方向为参考正方向，即pA05 kgm/s，pB07 kgm/s。根据“运动制约”，小球B在碰后动量欲增大，其动量方向必与原动量方向相反，即pB10 kgm/s。根据“动量制约”，小球A在碰后动量必为pA22 kgm/s，而这样的碰撞结果显然也违背“动能制约”，因为显然也有：。(3)设A、B两小球同向运动而发生碰撞，且B球在前，A球在后，仍取两个小球碰前的运动方向为参考正方向，即pA05 kgm/s，pB07 kgm/s。根据“运动制约”，小球B在碰后动量欲增大，其动量方向必与原动量方向相同，即pB10 kgm/s。根据“动量制约”，小球A在碰后动量必有pA2 kgm/s，而这样的碰撞结果完全可以不违背“动能制约”，只要有：，即。仍然根据“运动制约”，为了保证碰前小球A能追上小球B而发生碰撞，同时为了保证碰后小球A不至于超越到小球B的前面，应分别有：，。综上可知，C正确。总结升华碰撞问题解题策略(1)抓住碰撞的特点和不同种类碰撞满足的条件，列出相应方程求解。(2)可熟记一些公式，例如“一动一静”模型中，两物体发生弹性正碰后的速度满足：v1v0、v2v0。(3)熟记弹性正碰的一些结论，例如，当两球质量相等时，两球碰撞后交换速度；当m1m2，且v200时，碰后质量大的速率不变，质量小的速率为2v0；当m1m2，且v200时，碰后质量小的球原速率反弹。(多选)质量为m的小球A，沿光滑水平面以v0的速度与质量为2m的静止小球B发生正碰，碰撞后A球的动能变为原来的，那么小球B的速度可能是()A.v0 B.v0 C.v0 D.v0答案AB解析根据Ekmv2，碰撞后A球的动能变为原来的，则A的速度变为vAv0，正、负表示方向有两种可能。当vAv0，vA与v0同向时有：mv0mv02mvB，vBv0。碰撞后系统总动能为：Ek总EkAEkBmvEkA，机械能减小说明碰撞是非弹性碰撞。当vAv0，vA与v0反向时有：mv0mv02mvB，vBv0。碰撞后系统总动能为：Ek总EkAEkBmv，机械能守恒说明碰撞是弹性碰撞。考点3爆炸、反冲及“人船模型”模型应用1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，发生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，所以爆炸前后系统的总动能增加。(3)位置不变：爆炸的时间极短，因而在作用过程中，物体产生的位移很小，一般可忽略不计，可以认为爆炸后仍然从爆炸前的位置以新的动量开始运动。2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的现象。(2)特点：一般情况下，物体间的相互作用力(内力)较大，因此系统动量往往有以下几种情况：动量守恒；动量近似守恒；某一方向上动量守恒。反冲运动中机械能往往不守恒。(3)实例：喷气式飞机、火箭等都是利用反冲运动的实例。3“人船模型”若系统在全过程中动量守恒，则这一系统在全过程中平均动量也守恒。如果系统由两个物体组成，且相互作用前均静止，相互作用中均发生运动，则由m11m220，得m1x1m2x2。例3载人气球静止于高h的空中，气球的质量为M，人的质量为m，若人沿绳梯滑至地面，则绳梯至少为多长？(1)人和气球的速度有什么关系？提示：。(2)人和气球对地的位移与绳长有什么关系？提示：x人x球L绳。尝试解答h。气球和人原来静止在空中，说明系统所受合外力为零，故系统在人下滑过程中动量守恒，人着地时绳梯至少应接触地面，设绳梯长为L，人沿绳梯滑至地面，人的位移为x人，球的位移为x球，它们的位移状态图如图所示，由平均动量守恒有：0Mx球mx人，又有x球x人L，x人h，故Lh。总结升华利用人船模型解题需注意两点(1)条件系统的总动量守恒或某一方向上的动量守恒。构成系统的两物体原来静止，因相互作用而反向运动。x1、x2均为沿动量方向相对于同一参考系的位移。(2)解题关键是画出草图确定初、末位置和各物体位移关系。(多选)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 ()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受到的爆炸力大小一定相等答案CD解析空中爆炸问题，因系统内力远大于外力，故满足系统动量守恒的条件。由题中所给物理情景“一分为二”，系统动量守恒的表达式为mv0mavambvb因mava与mv0同向，取v0为正方向。讨论：若mavamv0，则mbvb为负向，vb与va反向，a在b之前。所以A错误；因题设条件只给出了va与v0同向和mamb，但未给出va一定大于或等于v0的条件。所以vb大于、等于和小于va的情况都有可能存在，从同一高度平抛物体的水平射程由水平初速度决定，故sbsa、sbsa、sbsa都有可能，B错误；平抛运动的飞行时间由抛出点的高度决定，h相同，由t知，t相同，C正确；炸裂过程a与b相互作用遵循牛顿第三定律，F与F等值、反向，D正确。考点4子弹打木块问题(滑块类问题)模型应用子弹射击木块的两种典型情况1木块放置在光滑的水平面上运动性质：子弹对地在滑动摩擦力作用下做匀减速直线运动；木块在滑动摩擦力作用下做匀加速运动。处理方法：把子弹和木块看成一个系统，系统水平方向动量守恒；系统的机械能不守恒；对木块和子弹分别利用动能定理。2木块固定在水平面上运动性质：子弹对地在滑动摩擦力作用下做匀减速直线运动；木块静止不动。处理方法：对子弹应用动能定理或牛顿第二定律。两种类型的共同点：(1)系统内相互作用的两物体间的一对滑动摩擦力做功的总和恒为负值(因为有一部分机械能转化为内能)；(2)摩擦生热的条件：必须存在滑动摩擦力和相对滑行的路程，大小为Qfs，其中f是滑动摩擦力的大小，s是两个物体的相对路程(在一段时间内“子弹”射入“木块”的深度，就是这段时间内两者的相对路程，所以说是一个相对运动问题)。例42016张掖模拟如图所示。质量M2 kg的足够长的小平板车静止在光滑水平面上，车的一端静止着质量为MA2 kg的物体A(可视为质点)。一个质量为m20 g的子弹以500 m/s的水平速度射穿A后，速度变为100 m/s，最后物体A静止在车上。若物体A与小车间的动摩擦因数0.5(g取10 m/s2)。(1)平板车最后的速度是多大？(2)全过程损失的机械能为多少？(3)A在平板车上滑行的时间为多少？(1)最后物体A静止在车上，是物体A最终的速度是零吗？这句话的含义是什么？提示：最终的速度不是零。这句话的含义是物体A与小平板车相对静止，二者有共同的速度和共同的加速度。(2)全过程损失的机械能等于什么？提示：总机械能的损失等于系统动能的减少量。尝试解答(1)2_m/s_(2)2392_J_(3)0.4_s。(1)对子弹和物体，由动量守恒得mv0mvMAv，得v4 m/s，同理对M和MA有MAv(MMA)v车，得v车2 m/s。(2)由能量守恒得：Emvmv2(MMA)v2392 J。(3)对物体A由动量定理得：MAgtMAv车MAv得t0.4 s。总结升华对于滑块类问题，往往通过系统内摩擦力的相互作用而改变系统内的物体的运动状态，既可由两大定理和牛顿运动定律分析单个物体的运动，又可由守恒定律分析动量的传递、能量的转化，在能量转化方面往往用到E内E机F滑x相。一质量为M、长为l的长方形木板B放在光滑的水平地面上，在其右端放一质量为m的小木块A，mm，故v方向水平向右。(2)功能关系：当木块A相对于地向左运动距离最远时，末速度为零，在这过程中，克服摩擦力Ff做功的结果是消耗了自身的动能：Ffsmv而A刚好没有滑离B板的条件是：A滑到B板的最左端，且二者具有相同速度v，A、B间因摩擦产生的内能等于系统动能的损失：QFfl(vv2)由以上各式得向左运动的最远距离：sl。考点5动量守恒与其他知识的综合拓展延伸1动量守恒与动能定理、功能关系、牛顿运动定律，以及直线运动、平抛运动、圆周运动等运动学知识综合。2动量守恒与能量守恒、核反应知识综合。3动量守恒与混合场(重力场和电场)、向心力、平抛运动、能量综合。例52017吉林长春调研如图，LMN是竖直平面内固定的光滑绝缘轨道，MN水平且足够长，LM下端与MN相切。质量为m的带正电小球B静止在水平轨道上，质量为2m的带正电小球A从LM上距水平轨道高为h处由静止释放，在A球进入水平轨道之前，由于A、B两球相距较远，相互作用力可认为是零，A球进入水平轨道后，A、B两球间相互作用视为静电作用。带电小球均可视为质点。已知A、B两球始终没有接触。重力加速度为g。求：(1)A、B两球相距最近时，A球的速度v；(2)A、B两球最终的速度vA、vB的大小。(1)A、B两球相距最近的含义是什么？提示：A、B共速。(2)怎样理解A、B两球最终的速度？提示：当A、B间相互斥力作用足够长时间后，它们的间距就足够远，相互间的斥力可以忽略不计，电势能为零。尝试解答(1)(2)，。(1)对下滑的过程：2mgh2mv，v0，球进入水平轨道后两球组成的系统动量守恒，两球最近时速度相等。2mv0(2mm)v，vv0。(2)当A、B相距最近之后，由于静电斥力的相互作用，它们将会相互远离，当它们相距足够远时，它们之间的相互作用力可视为零，电势能也视为零，它们就达到最终的速度，该过程中，A、B两球组成的系统动量守恒、能量也守恒。2mv02mvAmvB，2mv2mvmv，得vAv0，vBv0。总结升华动量守恒与其他知识综合问题的求解方法动量守恒与其他知识综合问题往往是多过程问题。解决这类问题首先要弄清物理过程，其次是弄清每一个物理过程遵从什么样的物理规律。最后根据物理规律对每一个过程列方程求解，找出各物理过程之间的联系是解决问题的关键。2017河南开封一模如图所示，在高h130 m的光滑水平平台上，物块P以初速度v0水平向右运动，与静止在水平台上的物块Q发生碰撞，mQ2mP，碰撞后物块P静止，物块Q以一定的水平速度向右滑离平台，并恰好沿光滑圆弧形轨道BC的B点的切线方向进入圆弧形轨道，B点的高度h215 m，圆弧轨道的圆心O与平台等高，轨道最低点C的切线水平，并与地面上长为l70 m的水平粗糙轨道CD平滑连接，物块Q沿轨道BCD运动并与右边墙壁发生碰撞。g取10 m/s2。(1)求物块Q由A到B的运动时间；(2)求物块P初速度v0的大小；(3)若小物块Q与墙壁只发生一次碰撞，碰后速度等大反向，反向运动过程中没有冲出B点，最后停在轨道CD上的某点E(E点没画出)。设小物块与轨道CD之间的动摩擦因数为，求的取值范围。答案(1) s(2)20 m/s(3)0.170.5解析(1)由于h130 m，h215 m，设小物块Q从A运动到B的时间为t，则h1h2gt2，解得t s。(2)由于Rh1，Rcosh1h2，所以60，小物块Q平抛的水平速度是v1，有tan60，解得v110 m/s。小物块P与Q发生碰撞的过程中系统的动量守恒，选取向右为正方向，由动量守恒定律得mPv0mQv1解得v020 m/s(3)设小物块Q在水平轨道CD上通过的总路程为s，根据题意，该路程的最大值是smax3l路程的最小值是sminl路程最大时，动摩擦因数最小；路程最小时，动摩擦因数最大，由能量守恒知mQgh1mQvminmQgsmax，mQgh1mQvmaxmQgsmin解得max，min，即0.170.5。