湖南省新田县第一中学高中物理 动量守恒定律习题课教案 9页

动量守恒定律习题课教案 ‎ ‎1、“合二为一”问题：两个速度不同的物体，经过相互作用，最后达到共同速度。‎ 例1、甲、乙两小孩各乘一辆小车在光滑水平面上匀速相向行驶，速度均为6m/s.甲车上有质量为m=1kg的小球若干个，甲和他的车及所带小球的总质量为M1=50kg，乙和他的车总质量为M2=30kg。现为避免相撞，甲不断地将小球以相对地面16.5m/s的水平速度抛向乙，且被乙接住。假设某一次甲将小球抛出且被乙接住后刚好可保证两车不致相撞，试求此时：‎ ‎（1）两车的速度各为多少？（2）甲总共抛出了多少个小球？‎ 分析与解：甲、乙两小孩依在抛球的时候是“一分为二”的过程，接球的过程是“合二为一”的过程。‎ ‎（1）甲、乙两小孩及两车组成的系统总动量沿甲车的运动方向，甲不断抛球、乙接球后，当甲和小车与乙和小车具有共同速度时，可保证刚好不撞。设共同速度为V，则:‎ M1V1－M2V1=（M1+M2）V ‎（2）这一过程中乙小孩及时的动量变化为:△P=30×6－30×（－1.5）=225（kg·m/s）‎ 每一个小球被乙接收后，到最终的动量弯化为 △P1=16.5×1－1.5×1=15（kg·m/s）‎ 故小球个数为 ‎2、“一分为二”问题：两个物体以共同的初速度运动，由于相互作用而分开后以不同的速度运动。‎ 例2、人和冰车的总质量为M，另有一个质量为m的坚固木箱，开始时人坐在冰车上静止在光滑水平冰面上，某一时刻人将原来静止在冰面上的木箱以速度V 推向前方弹性挡板，木箱与档板碰撞后又反向弹回，设木箱与挡板碰撞过程中没有机械能的损失，人接到木箱后又以速度V推向挡板，如此反复多次，试求人推多少次木箱后将不可能再接到木箱？（已知）‎ 解析:人每次推木箱都可看作“一分为二”的过程，人每次接箱都可以看作是“合二为一”的过程，所以本题为多个“一分为二”和“合二为一”过程的组合过程。‎ 设人第一次推出后自身速度为V1， 则：MV1=mV，‎ 人接后第二次推出，自身速度为V2，则mV+2mV=MV2‎ ‎(因为人每完成接后推一次循环动作，自身动量可看成增加2mV)‎ 设人接后第n次推出，自身速度为Vn，则mV+2mV(n-1)=MVn ‎∴Vn=(2n-1)V ，‎ 若Vn≥V ，则人第n次推出后，不能再接回，将有关数据代入上式得n≥8.25，∴n=9。‎ 练习：如图所示，甲乙两小孩各坐一辆冰撬，在水平冰面上游戏，甲和他乘的冰撬质量共为，乙和他乘的冰撬质量也是30kg。游戏时，甲推着一个质量的箱子，共同以速度滑行，乙以同样大的速度迎面而来，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把它抓住。若不计冰面的摩擦。求甲至少以多大的速度（相对地面）将箱子推出才能避免相撞。‎ 解析：由于摩擦，甲乙两人及冰撬，木箱系统动量守恒。甲乙两人不相撞的临界条件是有相等的速度，设甲推木箱后，乙抓住木箱后速度为，取甲初速为正。‎ ‎ ‎ 甲推出木箱速度为 ‎ ‎3、“三体二次作用过程”问题 所谓“三体二次作用”问题是指系统由三个物体组成，但这三个物体间存在二次不同的相互作用过程。解答这类问题必须弄清这二次相互作用过程的特点，有哪几个物体参加？是短暂作用过程还是持续作用过程？各个过程遵守什么规律？弄清上述问题，就可以对不同的物理过程选择恰当的规律进行列式求解。‎ 例3、光滑的水平面上，用弹簧相连的质量均为2kg的A、B两物块都以V0=6m/s的速度向右运动，弹簧处于原长，质量为4kg的物块C静止在前方，如图所示。B与C碰撞后二者粘在一起运动，在以后的运动中，当弹簧的弹性势能达到最大为 J时，物块A的速度是 m/s。‎A B C 分析与解：本题是一个“三体二次作用”问题：“三体”为A、B、C三物块。“二次作用”过程为第一次是B、C二物块发生短时作用，而A不参加，这过程动量守恒而机械能不守恒；第二次是B、C二物块作为一整体与A物块发生持续作用，这过程动量守恒机械能也守恒。‎ 对于第一次B、C二物块发生短时作用过程，设B、C二物块发生短时作用后的共同速度为VBC，则据动量守恒定律得：‎ ‎ (1)‎ 对于第二次B、C二物块作为一整体与A物块发生持续作用，设发生持续作用后的共同速度为V，则据动量守恒定律和机械能守恒定律得：‎ mAV0+ （2）‎ ‎ （3）‎ 由式(1)、（2）、（3）可得：当弹簧的弹性势能达到最大为EP ‎=12J时，物块A的速度V=‎3 m/s。‎ ‎4、“二体三次作用过程”问题 所谓“二体三次作用”问题是指系统由两个物体组成，但这两个物体存在三次不同的相互作用过程。求解这类问题的关键是正确划分三个不同的物理过程，并能弄清这些过程的特点，针对相应的过程应用相应的规律列方程解题。‎ 例4、如图所示，打桩机锤头质量为M，从距桩顶h高处自由下落，打在质量为m的木桩上，且在极短时间内便随桩一起向下运动，使得木桩深入泥土的距离为S，那么在木桩下陷过程中泥土对木桩的平均阻力是多少？‎ 分析与解：这是一道联系实际的试题。许多同学对打木桩问题的过程没有弄清楚，加上又不理解“作用时间极短”的含意而酿成错误。其实打木桩问题可分为三个过程：‎ M m ‎ 其一：锤头自由下落运动过程，设锤刚与木桩接 触的速度为V0，则据机械能守恒定律得：‎ Mgh=,所以V0=。‎ 其二：锤与木桩的碰撞过程，由于作用时间极短，‎ 内力远大于外力，动量守恒，设碰后的共同速度为V，‎ 据动量守恒定律可得：‎ MV0=(M+m)V, 所以V=‎ 其三：锤与桩一起向下做减速运动过程，设在木桩下陷过程中泥土对木桩的平均阻力为f,由动能定理可得：‎ ‎（M+m）gS-fS=0-,所以f=(M+m)g+.‎ 练习：‎ C A B V0‎ ‎2V0‎ ‎1、如图所示，C是放在光滑的水平面上的一块木板，木板的质量为3m，在木板的上面有两块质量均为m的小木块A和B，它们与木板间的动摩擦因数均为μ。最初木板静止，A、B两木块同时以方向水平向右的初速度V0和2V0‎ 在木板上滑动，木板足够长， A、B始终未滑离木板。求：‎ ‎（1）木块B从刚开始运动到与木板C速度刚好相等的过程中，木块B所发生的位移；‎ ‎（2）木块A在整个过程中的最小速度。‎ 解：（1）木块A先做匀减速直线运动，后做匀加速直线运动；木块B一直做匀减速直线运动；木板C做两段加速度不同的匀加速直线运动，直到A、B、C三者的速度相等为止，设为V1。对A、B、C三者组成的系统，由动量守恒定律得：‎ ‎ 解得：V1=0.6V0‎ 对木块B运用动能定理，有：‎ ‎ 解得 ‎（2）设木块A在整个过程中的最小速度为V′，所用时间为t，由牛顿第二定律：‎ 对木块A：,‎ 对木板C：,‎ 当木块A与木板C的速度相等时，木块A的速度最小，因此有：‎ ‎ 解得 木块A在整个过程中的最小速度为：‎ ‎1‎ ‎2‎ ‎3‎ V0‎ ‎2、如图所示为三块质量均为m，长度均为L的木块。木块1和木块2重叠放置在光滑的水平桌面上，木块3沿光滑水平桌面运动并与叠放在下面的木块2发生碰撞后粘合在一起，如果要求碰后原来叠放在上面的木块1完全移到木块3上，并且不会从木块3上掉下，木块3碰撞前的动能应满足什么条件？设木块之间的动摩擦因数为m。‎ 解：设第3块木块的初速度为V0,对于3、2两木块的系统，设碰撞后的速度为V1，据动量守恒定律得：mV0=2mV1 对于3、2整体与1组成的系统，设共同速度为V2，则据动量守恒定律得：‎ ‎2mV1=3mV2 ‎(1)第1块木块恰好运动到第3块上，首尾相齐，则据能量守恒有：‎ ‎ 由联立方程得：Ek3=6μmgL ‎(2)第1块运动到第3块木块上，恰好不掉下，据能量守恒定律得：‎ ‎ 由联立方程得：Ek3=9μmgL 故：‎ 二、课后检测 ‎1、小车AB静置于光滑的水平面上，A端固定一个轻质弹簧，B端粘有橡皮泥，AB车质量为M，长为L，质量为m的木块C放在小车上，用细绳连结于小车的A端并使弹簧压缩，开始时AB与C都处于静止状态，如图所示，当突然烧断细绳，弹簧被释放，使物体C离开弹簧向B端冲去，并跟B端橡皮泥粘在一起，以下说法中正确的是（ BCD ）‎ A．如果AB车内表面光滑，整个系统任何时刻机械能都守恒 B．整个系统任何时刻动量都守恒 C．当木块对地运动速度为v时，小车对地运动速度为v D．AB车向左运动最大位移小于L ‎2、质量为M的小车静止在光滑的水平面上，质量为m的小球用细绳吊在小车上O点，将小球拉至水平位置A点静止开始释放（如图所示），求小球落至最低点时速度多大？（相对地的速度）‎ 答案：‎ ‎3、如图所示，在光滑水平面上有两个并排放置的木块A和B，已知mA=‎0.5 kg，mB=‎0.3 kg,有一质量为mC=‎0.1 kg的小物块C以‎20 ‎m/s的水平速度滑上A表面，由于C和A、B间有摩擦，C滑到B表面上时最终与B以‎2.5 m/s的共同速度运动，求：‎ ‎（1）木块A的最后速度； （2）C离开A时C的速度。‎ 答案：（1）vA=2 m/s （2）vC=4 m/s ‎4、如图所示甲、乙两人做抛球游戏，甲站在一辆平板车上，车与水平地面间摩擦不计.甲与车的总质量M=‎100 kg，另有一质量m=‎2 kg的球.乙站在车的对面的地上，身旁有若干质量不等的球.开始车静止，甲将球以速度v（相对地面）水平抛给乙，乙接到抛来的球后，马上将另一质量为m′=‎2m的球以相同速率v水平抛回给甲，甲接住后，再以相同速率v将此球水平抛给乙，这样往复进行.乙每次抛回给甲的球的质量都等于他接到的球的质量为2倍,求：‎ ‎（1）甲第二次抛出球后，车的速度大小.‎ ‎（2）从第一次算起，甲抛出多少个球后，再不能接到乙抛回来的球.‎ 答案：（1）v,向左 （2）5个 ‎5 两块厚度相同的木块A和B，紧靠着放在光滑的水平面上，其质量分别为，。另有一质量的滑块C，与AB间有摩擦，以的初速度滑到A的上表面，由于摩擦作用，C最后与B以相同的速度运动，求：‎ ‎（1）木块A的最大速度 ‎（2）滑块C离开A时的速度 解析：当滑块C滑到A上时，AB一起加速，C减速，水平方向ABC系统动量守恒，当C滑到B上时A达最大速度，C在B上继续减速，B继续加速直到BC等速。由动量守恒定律得得 C刚滑到B上时速度为，B与A等速 ‎∴ ‎ 点评：系统动量守恒是系统内物体作用过程中任意时刻动量都与初动量相等。‎ ‎6 一长为，质量为M的木板静止在光滑的水平面上，一质量为的滑块的初速度滑到木板上，木板长度至少为多少才能使滑块不滑出木板。（设滑块与木板间动摩擦因数为）‎ 解析：滑块与木板相互作用系统动量守恒，滑块不从木板上滑出则滑块与木板有相等的末速度。设末速度为，滑块滑动中位移为S，则木板滑动位移为，由动量守恒定律得 ① 由动能定理得 ②‎ ‎ ③ 由①得 ④‎ 由②③得 ‎ 把④代入得 ‎ 点评：系统内物体间相互作用力对物体的冲量总是大小相等方向相反，相互作用力对两物体做功数值一般不等。‎