碰撞-动量守恒定律

第六章-碰撞-动量守恒定律(讲义)(总28页)

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第1节 动量 动量定理 动量守恒定律

一、冲量、动量和动量定理

1．冲量 (1)定义：力和力的作用时间的乘积．

(2)公式：I＝Ft，适用于求恒力的冲量．(3)方向：与力的方向相同．

2．动量 (1)定义：物体的质量与速度的乘积．

(2)表达式：p＝mv. (3)单位：千克·米/秒．符号：kg·m/s.

(4)特征：动量是状态量，是矢量，其方向和速度方向相同．

3．动量定理 (1)内容：物体所受合力的冲量等于物体动量的变化量．

(2)表达式：F合·t＝Δp＝p′－p.

(3)矢量性：动量变化量方向与合力的方向相同，可以在某一方向上用动量定理．

二、动量守恒定律

1．系统：相互作用的几个物体构成系统．系统中各物体之间的相互作用力称为内力，外部其他物体对系统的作用力叫做外力．

2．定律内容：如果一个系统不受外力作用，或者所受的合外力为零，这个系统的总动量保持不变．

3．定律的表达式

m1v1＋m2v2＝m1v1′＋m2v2′，两个物体组成的系统初动量等于末动量．

可写为：p＝p′、Δp＝0和Δp1＝－Δp2

4．守恒条件

(1)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．

(2)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．

(3)分方向守恒：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．

[自我诊断]

1．判断正误

(1)动量越大的物体，其运动速度越大．(×)

(2)物体的动量越大，则物体的惯性就越大．(×)

(3)物体的动量变化量等于某个力的冲量．(×)

(4)动量是过程量，冲量是状态量．(×)

(5)物体沿水平面运动，重力不做功，重力的冲量也等于零．(×) (6)系统动量不变是指系统的动量大小和方向都不变．(√)

2．(2017·广东广州调研)(多选)两个质量不同的物体，如果它们的( )

A．动能相等，则质量大的动量大 B．动能相等，则动量大小也相等

C．动量大小相等，则质量大的动能小 D．动量大小相等，则动能也相等

3．篮球运动员通常伸出双手迎接传来的篮球．接球时，两手随球迅速收缩至胸前．这样做可以( )

A．减小球对手的冲量 B．减小球对手的冲击力

C．减小球的动量变化量 D．减小球的动能变化量

4．(2017·河南开封质检)(多选) 如图所示，光滑水平面上两小车中间夹一压缩了的轻弹簧，两手分别按住小车，使它们静止，对两车及弹簧组成的系统，下列说法中正确的是( )

A．两手同时放开后，系统总动量始终为零

B．先放开左手，后放开右手，动量不守恒

C．先放开左手，后放开右手，总动量向左

D．无论何时放手，两手放开后在弹簧恢复原长的过程中，系统总动量都保持不变，但系统的总动量不一定为零

5．(2017·湖南邵阳中学模拟)一个质量m＝ kg的物体，放在光滑的水平面上，当物体受到一个F＝10 N与水平面成30°角斜向下的推力作用时，在10 s内推力的冲量大小为________ N·s，动量的增量大小为________ kg·m/s.

考点一 动量定理的理解及应用

1．应用动量定理时应注意两点

(1)动量定理的研究对象是一个质点(或可视为一个物体的系统)．

(2)动量定理的表达式是矢量式，在一维情况下，各个矢量必须选同一个正方向．

2．动量定理的三大应用

(1)用动量定理解释现象

①物体的动量变化一定，此时力的作用时间越短，力就越大；时间越长，力就越小．

②作用力一定，此时力的作用时间越长，动量变化越大；力的作用时间越短，动量变化越小．

(2)应用I＝Δp求变力的冲量．

(3)应用Δp＝F·Δt求恒力作用下的曲线运动中物体动量的变化量．

[典例1] (2016·高考全国乙卷)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ρ，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Δt时间内，从喷口喷出的水的体积为ΔV，质量为Δm，则Δm＝ρΔV①

ΔV＝v0SΔt② 由①②式得，单位时间内从喷口喷出的水的质量为ΔmΔt＝ρv0S③

(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Δt时间内喷出的水，由能量守恒得12(Δm)v2＋(Δm)gh＝12(Δm)v20④

在h高度处，Δt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Δp＝(Δm)v⑤

设水对玩具的作用力的大小为F，根据动量定理有FΔt＝Δp⑥

由于玩具在空中悬停，由力的平衡条件得F＝Mg⑦

联立③④⑤⑥⑦式得h＝v202g－M2g2ρ2v20S2⑧

(1)用动量定理解题的基本思路

(2)对过程较复杂的运动，可分段用动量定理，也可整个过程用动量定理．

1．如图所示，一个质量为 kg的垒球，以25 m/s的水平速度向左飞向球棒，被球棒打击后反向水平飞回，速度大小变为45 m/s，则这一过程中动量的变化量为( )

A．大小为 kg·m/s，方向向左 B．大小为 kg·m/s，方向向右

C．大小为 kg·m/s，方向向左 D．大小为 kg·m/s，方向向右

2. 质量为1 kg的物体做直线运动，其速度图象如图所示．则物体在前10 s内和后10

s内所受外力的冲量分别是( )

A．10 N·s 10 N·s B．10 N·s －10 N·s

C．0 10 N·s D．0 －10 N·s

3．如图所示，在倾角为θ的斜面上，有一个质量是m的小滑块沿斜面向上滑动，经过时间t1，速度为零后又下滑，经过时间t2，回到斜面底端．滑块在运动过程中，受到的摩擦力大小始终是Ff，在整个运动过程中，摩擦力对滑块的总冲量大小为________，方向是________；合力对滑块的总冲量大小为________，方向是________．

4．如图所示，一质量为M的长木板在光滑水平面上以速度v0向右运动，一质量为m的小铁块在木板上以速度v0向左运动，铁块与木板间存在摩擦．为使木板能保持速度v0向右匀速运动，必须对木板施加一水平力，直至铁块与木板达到共同速度v0.设木板足够长，求此过程中水平力的冲量大小．答案：2mv0

5．(2017·甘肃兰州一中模拟)如图所示，一质量为M＝2 kg的铁锤从距地面h＝ m高处自由下落，恰好落在地面上的一个质量为m＝6 kg的木桩上，随即与木桩一起向下运动，经时间t＝ s停止运动．求木桩向下运动时受到地面的平均阻力大小．(铁锤的横截面小于木桩的横截面，木桩露出地面部分的长度忽略不计，重力加速度g取10

m/s2)

解析：铁锤下落过程中机械能守恒，则v＝2gh＝8 m/s.

铁锤与木桩碰撞过程中动量守恒，Mv＝(M＋m)v′，v′＝2 m/s.

木桩向下运动，由动量定理(规定向下为正方向)得

[(M＋m)g－f]Δt＝0－(M＋m)v′，解得f＝240 N.

6．(2016·河南开封二模)如图所示，静止在光滑水平面上的小车质量M＝20 kg.从水枪中喷出的水柱的横截面积S＝10 cm2，速度v＝10 m/s，水的密度ρ＝×103 kg/m3.若用水枪喷出的水从车后沿水平方向冲击小车的前壁，且冲击到小车前壁的水全部沿前壁流进小车中．当有质量m＝5 kg的水进入小车时，试求：(1)小车的速度大小；(2)小车的加速度大小．

解析：(1)流进小车的水与小车组成的系统动量守恒，设当进入质量为m的水后，小车速度为v1，则mv＝(m＋M)v1，即v1＝mvm＋M＝2 m/s

(2)质量为m的水流进小车后，在极短的时间Δt内，冲击小车的水的质量Δm＝ρS(v－v1)Δt，设此时水对车的冲击力为F，则车对水的作用力为－F，由动量定理有－FΔt＝Δmv1－Δmv，得F＝ρS(v－v1)2＝64 N，小车的加速度a＝FM＋m＝ m/s2

考点二 动量守恒定律的理解及应用

1．动量守恒的“四性”

(1)矢量性：表达式中初、末动量都是矢量，需要首先选取正方向，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一参考系的速度．一般选地面为参考系． (4)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．动量守恒定律的不同表达形式

(1)m1v1＋m2v2＝m1v1′＋m2v2′，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．

(2)Δp1＝－Δp2，相互作用的两个物体动量的增量等大反向．

(3)Δp＝0，系统总动量的增量为零．

[典例2] (2017·山东济南高三质检)光滑水平轨道上有三个木块A、B、C，质量分别为mA＝3m、mB＝mC＝m，开始时B、C均静止，A以初速度v0向右运动，A与B碰撞后分开，B又与C发生碰撞并粘在一起，此后A与B间的距离保持不变．求B与C碰撞前B的速度大小．

解析 设A与B碰撞后，A的速度为vA，B与C碰撞前B的速度为vB，B与C碰撞后粘在一起的速度为v，由动量守恒定律得

对A、B木块：mAv0＝mAvA＋mBvB① 对B、C木块：mBvB＝(mB＋mC)v②

由A与B间的距离保持不变可知vA＝v③ 联立①②③式，代入数据得vB＝65v0④

应用动量守恒定律解题的步骤

(1)明确研究对象，确定系统的组成(系统包括哪几个物体及研究的过程)；

(2)进行受力分析，判断系统动量是否守恒(或某一方向上动量是否守恒)；

(3)规定正方向，确定初、末状态动量；

(4)由动量守恒定律列出方程；

(5)代入数据，求出结果，必要时讨论说明．

1．如图所示，在光滑的水平面上放有一物体M，物体M上有一光滑的半圆弧轨道，轨道半径为R，最低点为C，两端A、B等高，现让小滑块m从A点由静止开始下滑，在此后的过程中，则( )

A．M和m组成的系统机械能守恒，动量守恒

B．M和m组成的系统机械能守恒，动量不守恒

C．m从A到C的过程中M向左运动，m从C到B的过程中M向右运动

D．m从A到B的过程中，M运动的位移为mRM＋m

2．(2016·广东湛江联考)如图所示，质量均为m的小车和木箱紧挨着静止在光滑的水平冰面上，质量为2m的小孩站在小车上用力向右迅速推出木箱，木箱相对于冰面运动的速度为v，木箱运动到右侧墙壁时与竖直墙壁发生弹性碰撞，反弹后能被小孩接住，求：