2020高考物理二轮复习题型归纳与训练专题十四 动量守恒定律及其应用(含解析)
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2020高考物理二轮复习题型归纳与训练专题十四 动量守恒定律及其应用题型一、动量定理的理解与应用【典例1】(2019·武汉高三下学期2月调考)运动员在水上做飞行运动表演。
他操控喷射式悬浮飞行器将水带竖直送上来的水反转180°后向下喷出，令自己悬停在空中，如图所示。
已知运动员与装备的总质量为90 kg ，两个喷嘴的直径均为10 cm ，已知重力加速度大小g ＝10 m/s 2，水的密度ρ＝1.0×103 kg/m 3，则喷嘴处喷水的速度大约为( )A ．2.7 m/sB ．5.4 m/sC ．7.6 m/sD ．10.8 m/s【答案】 C【解析】 设Δt 时间内有质量为m 的水射出，忽略重力冲量，对这部分水由动量定理得F Δt＝2mv ，m ＝ρv Δt ·πd 24，设运动员与装备的总质量为M ，运动员悬停在空中，所以F ′＝Mg ，由牛顿第三定律得F ′＝F ，联立解得v ≈7.6 m/s ，C 正确。
题型二、动量守恒定律的应用【规律方法】动量守恒定律解题的基本步骤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．【典例2】如图所示，甲、乙两小孩各乘一辆冰车在水平冰面上玩耍．甲和他的冰车的总质量为M＝30 kg，乙和他的冰车的总质量也是M＝30 kg.甲推着一个质量为m＝15 kg的箱子和他一起以2 m/s的速度滑行，乙以同样大小的速度迎面滑来．为了避免相撞，甲突然将箱子沿冰面推给乙，箱子滑到乙处时，乙迅速抓住．若不计冰面摩擦，求甲至少以多大速度(相对地)将箱子推出，才能避免与乙相撞？【解析】要想刚好避免相撞，要求乙抓住箱子后与甲的速度正好相等，设甲推出箱子后的速度为v1，箱子的速度为v，乙抓住箱子后的速度为v2.对甲和箱子，推箱子前后动量守恒，以甲初速度方向为正方向，由动量守恒定律有(M＋m)v0＝mv＋Mv1①对乙和箱子，抓住箱子前后动量守恒，以箱子初速度方向为正方向，由动量守恒定律有mv－Mv0＝(m＋M)v2①甲与乙刚好不相撞的条件是v1＝v2①联立①①①解得v＝5.2 m/s，方向与甲和箱子初速度方向一致．【答案】 5.2 m/s题型三、碰撞模型的规律及应用【典例3】．(多选)(2019·山东济南高三第二次联考)如图甲所示，光滑水平面上有a、b两个小球，a球向b球运动并与b球发生正碰后粘合在一起共同运动，其碰前和碰后的s t图象如图乙所示，已知m a＝5 kg.若b球的质量为m b，两球因碰撞而损失的机械能为ΔE，则()A．m b＝1 kg B．m b＝2 kgC ．ΔE ＝15 JD ．ΔE ＝35 J【解析】：在s t 图象中图线的斜率表示小球运动的速度大小，所以v a ＝61m/s ＝6 m/s ，碰后粘合在一起共同运动的速度为v ＝51m/s ＝5 m/s ，碰撞过程动量守恒，得m a v a ＝(m a ＋m b )v ，解得m b ＝1 kg ，故A 正确，B 错误；根据功能关系得ΔE ＝12m a v 2a －12(m a ＋m b )v 2＝15 J ，故C 正确，D 错误．【答案】：AC题型四、动量与能量的综合应用【规律方法】利用动量和能量观点解题的技巧(1)若研究对象为一个系统，应优先考虑应用动量守恒定律和能量守恒定律．(2)动量守恒定律和能量守恒定律都只考查一个物理过程的初、末两个状态，对过程的细节不予追究．(3)注意挖掘隐含条件，根据选取的对象和过程判断动量和能量是否守恒．【典例4】(2019·湖北孝感高三上学期期末八校联考)如图所示，水平轨道OBC 与一半径为R ＝0.5 m 的竖直光滑半圆形轨道CD 相切于C 点，其中AB 部分粗糙，其他部分光滑。
质量分别为1 kg 和2 kg 且外形相同的甲、乙两物块放在水平轨道上，物块甲被一处于压缩状态的轻弹簧水平锁定于A 点左侧某处(图中未画出)，其与轨道AB 间的动摩擦因数为μ＝0.2，AB 间的距离L AB ＝7.75 m ，物块乙位于轨道BC 上。
现释放物块甲，使其从A 点弹出，并与物块乙相撞。
已知两物块撞后粘在一起向右运动，两物块恰好能运动到半圆轨道的最高点D ，重力加速度g 取10 m/s 2。
求：(1)弹簧对物块甲的冲量；(2)从物块甲被弹出至滑到D 点的过程中，甲、乙整体损失的机械能ΔE 。
【答案】 (1)16 N·s (2)90.5 J【解析】 (1)甲、乙两物块碰后恰能到达竖直半圆轨道的最高点，由牛顿第二定律得(M 甲＋M 乙)g ＝(M 甲＋M 乙)v 2D R在甲、乙两物块从碰后到上滑到最高点的过程中，由机械能守恒定律有12(M 甲＋M 乙)v 2D ＋2(M 甲＋M 乙)gR ＝12(M 甲＋M 乙)v 2共 在甲、乙碰撞的过程中，由动量守恒定律有M 甲v 甲＝(M 甲＋M 乙)v 共在物块甲由A 到B 的过程中，由运动学知识有v 2甲－v 20＝－2μgL AB联立以上各式解得v 共＝5 m/s ，v 0＝16 m/s在弹簧与物块甲相互作用的过程中，对物块甲应用动量定理有I ＝M 甲v 0＝16 N·s 。
(2)从物块甲被弹出至滑到D 点的过程中，甲、乙整体损失的机械能为ΔE ＝12M 甲v 20－12(M 甲＋M 乙)v 2共＝90.5 J 。
【强化训练】1.(2019·湖南株洲高三年级教学检测)高空坠物伤人事件常有发生．一身高为1.75 m 的同学被一根从6.75 m高处竖直落下的枯树枝砸正头顶，设枯枝质量为2 kg，与头部作用时间为0.02 s，那么()A．枯枝对人的头部产生的冲击力约20 NB．枯枝对人的头部产生的冲击力约1 000 NC．保持其他条件不变，身高更高的同学，头部受到枯枝的冲击力会更大D．保持其他条件不变，身高更矮的同学，头部受到枯枝的冲击力会更小【解析】：树枝落到头顶上时的速度v＝2gh＝2×10×5 m/s＝10 m/s，对树枝由动量定理得(mg－F)Δt＝0－mv，解得F＝1 020 N，则选项B正确，A错误；保持其他条件不变，身高更高的同学，树枝落到头部的速度较小，则根据上述的分析可知，头部受到枯枝的冲击力会更小；同理身高更矮的同学，头部受到枯枝的冲击力会更大，选项C、D错误．【答案】：B2．(多选)(2019·黑龙江哈尔滨4月理综检测)水平推力F1和F2分别作用于置于水平面上的等质量的a、b两物块上，作用一段时间后撤去推力，两物块在水平面上继续运动一段时间停下来．两物块运动的v t图象如图所示，图中AB∥CD，则下列说法正确的是()A．两物块所受摩擦力大小相等B．两物块所受摩擦力冲量大小相等C．F1的冲量大于F2的冲量D．F1的冲量小于F2的冲量【解析】：由图，AB与CD平行，说明推力撤去后两物体的加速度相同，而撤去推力后物体的合力等于摩擦力，根据牛顿第二定律可知，两物体受到的摩擦力大小相等，故A正确．根据I＝F f t，由图看出摩擦力的作用时间t OB＜t OD，可知摩擦力的冲量不相等，选项B错误．根据动量定理，对整个过程研究得F1t1－F f t OB＝0，F2t2－F f t OD＝0，因t OB＜t OD，则有F1t1＜F2t2，即F1的冲量小于F2的冲量，故C错误，D正确．故选A、D.【答案】：AD3．(2019·陕西西安高考模拟)如图所示，一物体分别沿三个倾角不同的光滑斜面由静止开始从顶端下滑到底端C 、D 、E 处，三个过程中动能变化量的大小依次为ΔE 1、ΔE 2、ΔE 3，动量变化量的大小依次为Δp 1、Δp 2、Δp 3，则有( )A ．ΔE 1＜ΔE 2＜ΔE 3，Δp 1＜Δp 2＜Δp 3B ．ΔE 1＜ΔE 2＜ΔE 3，Δp 1＝Δp 2＝Δp 3C ．ΔE 1＝ΔE 2＝ΔE 3，Δp 1＜Δp 2＜Δp 3D ．ΔE 1＝ΔE 2＝ΔE 3，Δp 1＝Δp 2＝Δp 3【解析】：物体下滑过程中，只有重力做功，三种情况下下降的高度相同，即重力做功相同，根据动能定理可得下滑到底端时的动能相同，故ΔE 1＝ΔE 2＝ΔE 3；由机械能守恒定律可知物体下滑到底端C 、D 、E 的速度大小v 相等，动量变化量大小Δp ＝mv 相等，即 Δp 1＝Δp 2＝Δp 3(注意方向不同)，D 正确．【答案】：D4．(2019·湖南娄底高三教学质量检测)质量为M 的气球上有一个质量为m 的人，气球和人在静止的空气中共同静止于离地h 高处，如果从气球上逐渐放下一个质量不计的软梯，让人沿软梯降到地面，则软梯长至少应为( )A.m m ＋Mh B.M m ＋M h C.M ＋m M h D.M ＋m mh 【解析】：设人沿软梯滑至地面，软绳长度至少为L ，以人和气球的系统为研究对象，竖直方向动量守恒，规定竖直向下为正方向，由动量守恒定律得0＝M (－v 2)＋mv 1，人沿软梯降至地面时，气球上升的高度为L －h ，速度大小v 2＝L －h t，人相对于地面下降的高度为h ，速度大小为v 1＝h t ，联立得0＝M (－L －h t )＋m ·h t ，解得L ＝M ＋m Mh ，故C 正确，A 、B 、D 错误．【答案】：C5.(2019·湖南长沙高三期末)如图所示，质量为m 的A 球以速度v 0在光滑水平面上运动，与原静止的质量为4m 的B 球碰撞，碰撞后A 球以v ＝av 0(待定系数a <1)的速率弹回，并与挡板P 发生完全弹性碰撞，若要使A 球能追上B 球再相撞，则a 的取值范围为( )A.15＜a ＜13B.13＜a ＜23C.13＜a ≤25D.13＜a ≤35【解析】：碰撞过程动量守恒，以v 0方向为正方向有m A v 0＝－m A av 0＋m B v B ，A 与挡板P 碰撞后能追上B 发生再碰撞的条件是av 0＞v B ，解得13＜a ；碰撞过程中损失的机械能ΔE k ＝12m A v 20－ [12m A (av 0)2＋12m B v 2B ]≥0，解得a ≤35，故13＜a ≤35，D 正确． 【答案】：D6．(多选)一质量m ＝0.10 kg 的小钢球以大小为v 0＝10 m/s 的速度水平抛出，下落h ＝5.0 m 时撞击一钢板，撞后速度恰好反向，且速度大小不变．已知小钢球与钢板的作用时间极短，g 取10 m/s 2，则( )A ．钢板与水平面的夹角θ＝60°B ．小钢球从水平抛出到刚要撞击钢板的过程中重力的冲量大小为1 N·sC ．小钢球撞击钢板的过程中其动量的变化量的大小为 10 2 kg·m/sD ．钢板对小钢球的冲量大小为 2 2 N·s【解析】：由题意可知小钢球垂直撞击钢板．小钢球撞击钢板时的竖直分速度v y ＝2gh ＝10m/s ，设小球的速度方向与水平方向的夹角为α，则tan α＝v y v x＝1，解得α＝45°，即钢板与水平面的夹角θ＝45°，选项A 错误；小钢球从水平抛出到刚要撞击钢板时所飞行的时间t ＝2h g＝1 s ，重力冲量I ＝mgt ＝1 N·s ，选项B 正确；取垂直斜面向上为正方向，小钢球刚要撞击钢板时速度的大小为v 1＝2v 0＝10 2 m/s ，动量p 1＝－mv 1＝－ 2 kg·m/s ，撞后小钢球的速度v 2＝10 2 m/s ，动量p 2＝mv 2＝ 2 kg·m/s ，小钢球的动量变化Δp ＝p 2－p 1＝2 2 kg·m/s ，由动量定理可知，钢板对小钢球的冲量大小I ＝Δp ＝2 2 N·s ，选项C 错误，D 正确．【答案】：BD7．(多选)(2019·河南驻马店高三期末)如图所示，光滑水平直轨道上有三个质量均为m ＝3 kg 的物块A 、B 、C ，物块B 的左侧固定一轻弹簧(弹簧左侧的挡板质量不计)．设A 以v 0＝4 m/s 的速度朝B 开始运动，压缩弹簧；当A 、B 速度相等时，B 与C 恰好相碰并粘接在一起，然后继续运动．假设B 和C 碰撞过程时间极短，则以下说法正确的是( )A ．从开始到弹簧最短时物块C 受到的冲量大小为1 N·sB ．从开始到弹簧最短时物块C 受到的冲量大小为4 N·sC ．从开始到A 与弹簧分离的过程中整个系统损失的机械能为3 JD ．从开始到A 与弹簧分离的过程中整个系统损失的机械能为9 J【解析】：根据动量守恒定律，当A 、B 速度相等时，且与C 碰撞之前A 、B 的速度为v 1，则mv 0＝2mv 1，解得v 1＝2 m/s ；从开始到弹簧最短时，对A 、B 、C 系统，有mv 0＝3mv 2，解得v 2＝43m/s ；从开始到弹簧最短时，对物块C ，由动量定理得I ＝mv 2＝4 N·s ，选项B 正确，A 错误．B 与C 相碰的过程，mv 1＝2mv 3，解得v 3＝1 m/s ，则从开始到A 与弹簧分离的过程中整个系统损失的机械能为ΔE ＝12mv 21－12×2mv 23＝3 J ，选项C 正确，D 错误． 【答案】：BC8.(2019·云南二模)如图所示，木块静止在光滑水平面上，两颗不同的子弹A 、B 从木块两侧同时射入木块，最终都停在木块内，这一过程中木块始终保持静止。
