专题:动量在力中的应用(解析版)
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专题:动量在力中的应用 【方法总结】动量定理应用技巧总结如下:1. 动量定理表达式:(按列式方便选择“正方向”,可以理解为“合外力的冲量”,也可理解为“各个力冲量代数和”)2. 应用I =Δp 求变力的冲量如果物体受到大小或方向改变的力的作用,则不能直接用I =Ft 求冲量,可以求出该力作用下物体动量的变化Δp ,等效代换得出变力的冲量I .3. 应用Δp =F Δt 求动量的变化例如,在曲线运动中,速度方向时刻在变化,求动量变化(Δp =p 2-p 1)需要应用矢量运算方法,计算比较复杂.如果作用力是恒力,可以求恒力的冲量,等效代换得出动量的变化.4. 运用动量定理求解“流体”类问题:(1)在极短时间Δt 内,取一小柱体作为研究对象。
(2)求小柱体的体积ΔV =vS Δt(3)求小柱体质量Δm =ρΔV =ρvS Δt(4)求小柱体的动量变化Δp =v Δm =ρv 2S Δt(5)应用动量定理F Δt =Δp 【精选典例】1. (2019全国Ⅰ卷)最近,我国为“长征九号”研制的大推力新型火箭发动机联试成功,这标志着我国重型运载火箭的研发取得突破性进展。
若某次实验中该发动机向后喷射的气体速度约为3 km/s ,产生的推力约为4.8×106 N ,则它在1 s 时间内喷射的气体质量约为( )A .1.6×102 kgB .1.6×103 kgC .1.6×105 kgD .1.6×106 kg【答案】B【解析】根据动量定理有F Δt =Δmv -0,解得Δm Δt =F v=1.6×103 kg/s ,所以选项B 正确。
2. (2019青岛一模)雨打芭蕉是我国古代文学中重要的抒情意象。
为估算雨天院中芭蕉叶面上单位面积所承受的力,小玲同学将一圆柱形水杯置于院中,测得10分钟内杯中雨水上升了15 mm ,查询得知,当时雨滴落地速度约为10 m/s ,设雨滴撞击芭蕉后无反弹,不计雨滴重力,雨水的密度为1×103 kg/m 3,据此估算芭蕉叶面单位面积上的平均受力约为( )A .0.25 NB .0.5 NC .1.5 ND .2.5 N【答案】A【解析】设雨滴受到芭蕉叶面对它的平均作用力为F ,设在Δt 时间内有质量为Δm 的雨水的速度由v =10 m/s 减为零。
以向上为正方向,对这部分雨水应用动量定理:F Δt =0-(-Δmv ),得:F =Δmv Δt。
设水杯横截面积为S ,对水杯里的雨水,在Δt 时间内水面上升Δh ,则有:Δm =ρS Δh ,可得F =ρSv Δh Δt ,由牛顿第三定律可知,芭蕉叶面受到的平均作用力F ′=F ,压强为P =F ′S =ρv Δh Δt=1×103×10×15×10-310×60N/m 2=0.25 N/m 2,即芭蕉叶面单位面积上的平均受力约为0.25 N ,故选项A 正确,B 、C 、D 均错误。
6. (多选)如图甲所示,一质量为m 的物块在t =0时刻,以初速度v 0从足够长、倾角为θ的粗糙斜面底端向上滑行,物块速度随时间变化的图象如图乙所示。
t 0时刻物块到达最高点,3t 0时刻物块又返回底端。
下列说法正确的是( )A .斜面倾角θ的正弦值为5v 08gt 0B .不能求出3t 0时间内物块克服摩擦力所做的功C .物块从开始运动到返回底端的过程中重力的冲量大小为3mgt 0sin θD .物块从t =0时刻开始运动到返回底端的过程中动量变化量大小为32mv 0 【答案】AD【解析】根据动量定理得,上滑过程:-(mg sin θ+μmg cos θ)·t 0=0-mv 0,下滑过程:(mg sin θ-μmg cos θ)·2t 0=mv ;上滑与下滑过程位移大小相等,则v 0t 02=v ·2t 02,联立解得v =v 02,sin θ=5v 08gt 0,μ=35tan θ,故A 正确;根据μ=35tan θ可求解摩擦力,根据题图乙也可求解3t 0内的路程,由此可求解3t 0时间内物块克服摩擦力所做的功,故B 错误;物块从开始运动到返回底端的过程中重力的冲量大小为3mgt 0,C 错误;物块从t =0时刻开始运动到返回底端的过程中动量变化量大小为Δp =mv 0-(-12mv 0)=32mv 0,选项D 正确。
7. (2019潍坊一模)如图是某科技小组制作的“嫦娥四号”模拟装置示意图,用来演示“嫦娥四号”空中悬停和着陆后的分离过程,它由着陆器和巡视器两部分组成,其中着陆器内部有喷气发动机,底部有喷气孔,在连接巡视器的一侧有弹射器。
演示过程:先让发动机竖直向下喷气,使整个装置竖直上升至某个位置处于悬停状态,然后让装置慢慢下落到水平面上,再启动弹射器使着陆器和巡视器瞬间分离,向相反方向做减速直线运动。
若两者均停止运动时相距为L ,着陆器(含弹射器)和巡视器的质量分别为M 和m ,与地面间的动摩擦因数均为μ,重力加速度为g ,发动机喷气口截面积为S ,喷出气体的密度为ρ;不计喷出气体对整体质量的影响。
求:(1)装置悬停时喷出气体的速度;(2)弹射器给着陆器和巡视器提供的动能之和。
【答案】(1)(M +m )g ρS (2)μMmgL M +m M 2+m 2【解析】(1)悬停时气体对模拟装置的作用力为F ,则F =(M +m )g ,取Δt 时间喷出的气体为研究对象,由动量定理得F Δt =ρSv Δt ·v ,解得v =(M +m )g ρS。
(2)设弹射后瞬间着陆器和巡视器速度分别为v 1、v 2,则由弹射过程水平方向动量守恒得Mv 1-mv 2=0,设着陆器和巡视器减速运动的距离分别为L 1和L 2,由动能定理得 -μMgL 1=0-12Mv 21,-μmgL 2=0-12mv 22,L =L 1+L 2, 弹射器提供的总动能E k =12Mv 21+12mv 22, 联立解得E k =μMmgL M +m M 2+m 2。
8. 中国传统文化博大精深,简单的现象揭示了深刻的道理,如水滴石穿。
假设从屋檐滴下的水滴质量为0.5 g ,屋檐到下方石板的距离为4 m ,水滴落到石板上在0.2 s 内沿石板平面散开,忽略空气阻力,g 取10 m/s 2,则石板受到水滴的冲击力约为( )A .0.22 NB .0.27 NC .0.022 ND .0.027 N【答案】D【解析】由题知,水滴质量为m =0.5 g ,重力加速度为g =10 m/s 2,屋檐高度为h =4 m ,设水滴刚落到石板上时速度为v 。
水滴从屋檐开始下落到石板上,忽略空气阻力,水滴的机械能守恒,有mgh =12mv 2。
水滴从接触石板到速度为零的过程中,取向下为正方向,对水滴由动量定理得(mg -F )t =0-mv ,解得F ≈0.027 N ,由牛顿第三定律可知,D 正确。
9. 如图所示,在倾角为30°的足够长的光滑固定斜面上有一质量为m 的物体,它受到沿斜面方向的力F 的作用。
力F 可按如图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)。
已知此物体在t =0时速度为零,若用v 1、v 2、v 3、v 4分别表示上述四种受力情况下物体在3 s 末的速率,则这四个速度中最大的是( )A B C D【答案】C【解析】根据动量定理分别研究四种情况下物体的速率。
取t0=1 s,A图中:mg sin 30°·3t0+F·2t0-Ft0=mv1,得v1=20 m/s;B图中:mg sin 30°·3t0-Ft0+Ft0=mv2,得v2=15 m/s;C图中:mg sin 30°·3t0+F·2t0=mv3,得v3=25 m/s;D图中:mg sin 30°·3t0+F·2t0-F′t0=mv4,得v4=15 m/s。
故选项C正确。
10.一竖直放置的轻弹簧,一端固定于地面,一端与质量为3 kg的B固定在一起,质量为1 kg 的A放于B上.现在A和B正在一起竖直向上运动,如图所示.当A、B分离后,A上升0.2 m到达最高点,此时B速度方向向下,弹簧为原长,则从A、B分离起至A到达最高点的这一过程中,关于弹簧的弹力对B的冲量大小以及弹簧的弹力对B做的功,下列正确的是(g取10 m/s2)()A.1.2 N·s B.0 JC.6 N·s D.4 J【答案】BC【解析】A、B分离时也是弹簧恢复原长时,此时A、B的速度与加速度均相同,之后A做竖直上抛运动,由题设条件可知,竖直上抛的初速度大小v=2gh=2 m/s,上升到最高点所需的时间t=2hg=0.2 s,A到最高点时弹簧恰恢复原长,此时B的速度为2 m/s,方向竖直向下,在此过程中对B用动量定理(规定向下为正方向)得:m B gt+I N=m B v-(-m B v),解得I N=6 N·s,A错误,C正确;由以上分析可知,A、B分离时弹簧处于原长状态,当A运动至最高点时弹簧仍处于原长状态,弹簧对B做的正功和负功相抵消,则弹簧对B做功为零,B正确,D错误.11.如图所示,质量0.5 kg ,长1.2 m 的金属盒AB ,放在水平桌面上,它与桌面间动摩擦因数μ=18,在盒内右端B 放着质量也为0.5 kg ,半径为0.1 m 的弹性球,球与盒接触面光滑。
若在A 端给盒以水平向右的冲量1.5 N·s ,设盒在运动中与球碰撞时间极短,且无能量损失,求:(1)盒从开始运动到完全停止所通过的路程;(2)盒从开始运动到完全停止所经过的时间。
【答案】(1)1.8m (2)1.7 s【解析】(1)研究对象是金属盒,盒受冲量I 后获得速度v ,由动量定理,有:I =mv -0解得:v =3 m/s盒以此速度向右运动,运动中受到桌面对盒的摩擦力为:f =μF N =μ·2mg由牛顿第二定律得:f =ma盒运动了x 1=(1.2-0.12)m =1 m 后速度减少为v ′,则有:v ′2-v 2=2ax 1联立解得:v ′=2 m/s盒左壁A 以v ′速度与球相碰,因碰撞中无能量损失,盒停止,球以v ′=2 m/s 的速度向右做匀速直线运动,运动1 m 后又与盒的右壁相碰,盒又以v ′=2 m/s 的速度向右运动,直到停止。
由0-v ′2=2ax 2 得x 2=0.8 m因x 2只有0.8 m ,此时静止小球不会再与盒的左壁相碰,所以盒通过的总路程为:s =x 1+x 2=1.8 m 。