当前位置:首页>文档>知识点47:动量定理的理解及应用(解析版)_04高考物理_新高考复习资料_2024新高考复习资料_一轮复习资料_基础版2024届高考物理一轮复习讲义及对应练习

知识点47:动量定理的理解及应用(解析版)_04高考物理_新高考复习资料_2024新高考复习资料_一轮复习资料_基础版2024届高考物理一轮复习讲义及对应练习

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知识点 47:动量定理的理解及应用 考点一:对动量和冲量的理解 题型一:动量的理解 【知识思维方法技巧】 (1)动量的表达式:p=mv。方向:动量的方向与速度的方向相同。 (2)动量与动能的关系:E =,p= k 【典例1基础题】下列关于物体的动量和动能的说法,正确的是( ) A.物体的动量发生变化,其动能一定发生变化 B.物体的动能发生变化,其动量一定发生变化 C.若两个物体的动量相同,它们的动能也一定相同 D.动能大的物体,其动量也一定大 【典例1基础题】【答案】B 【解析】物体的动量发生变化时,如果只是方向发生变化,则其动能不变,A错误;物体 的动能发生变化时,速度大小一定变化,则动量一定发生变化,B正确;由E =可知,两 k 物体的动量相同时,质量越小,动能越大,故选项C、D均错误. 【典例1基础题对应练习】质量为5 kg的小球以5 m/s的速度竖直落到地板上,随后以3 m/s的速度反向弹回,若取竖直向下的方向为正方向,则小球动量的变化为( ) A.10 kg·m/s B.-10 kg·m/s C.40 kg·m/s D.-40 kg·m/s 【典例1基础题对应练习】【答案】D 【解析】动量的变化是末动量减去初动量,规定了竖直向下为正方向,则小球的初动量p 1 =mv =25 kg·m/s,末动量p =mv =-15 kg·m/s,所以动量的变化 Δp=p -p =-40 1 2 2 2 1 kg·m/s. 题型二:恒力冲量的计算 【知识思维方法技巧】 直接用定义式I=Ft计算恒力的冲量 【典例2基础题】(多选)如图所示,足够长的固定光滑斜面倾角为θ,质量为m的物体以速 度v从斜面底端冲上斜面,达到最高点后又滑回原处,所用时间为t。对于这一过程,下列 判断中正确的是( ) A.斜面对物体的弹力的冲量为零 B.物体受到的重力的冲量大小为mgt C.物体受到的合力的冲量大小为零 D.物体动量的变化量大小为mgsin θ·t 1 学科网(北京)股份有限公司【典例2基础题】【答案】BD 【解析】由冲量的表达式可知,斜面对物体的弹力的冲量为mgcos θ·t,选项A错误;物体 受到的重力的冲量大小为mgt,选项B正确;物体回到斜面底端的速度仍为v,方向与初速 度方向相反,故根据动量定理可知,物体受到的合力的冲量大小为 2mv,选项C错误;因 整个过程中物体所受的合力为 mgsin θ,则根据动量定理可知,物体动量的变化量大小为 mgsin θ·t,选项D正确。 【典例2基础题对应练习】(多选)一质量为m的运动员托着质量为M的重物从下蹲状态 (图甲)缓慢运动到站立状态(图乙),该过程重物和人的肩部相对位置不变,运动员保持乙状 态站立Δt 时间后再将重物缓慢向上举,至双臂伸直(图丙)。甲到乙、乙到丙过程重物上升 高度分别为h、h,经历的时间分别为t、t,重力加速度为g,则( ) 1 2 1 2 A.地面对运动员的冲量为(M+m)g(t+t+Δt),地面对运动员做的功为0 1 2 B.地面对运动员的冲量为(M+m)g(t+t),地面对运动员做的功为(M+m)g(h+h) 1 2 1 2 C.运动员对重物的冲量为Mg(t+t+Δt),运动员对重物做的功为Mg(h+h) 1 2 1 2 D.运动员对重物的冲量为Mg(t+t),运动员对重物做的功为0 1 2 【典例2基础题对应练习】【答案】AC 【解析】因运动员将重物缓慢上举,则可认为是平衡状态,地面对运动员的支持力为:(M +m)g,整个过程的时间为(t +t +Δt),根据I=Ft可知地面对运动员的冲量为(M+m)g(t 1 2 1 +t +Δt);因地面对运动员的支持力没有位移,可知地面对运动员做的功为0,选项A正 2 确,B错误;运动员对重物的作用力为Mg,作用时间为(t +t +Δt),根据I=Ft可知运动 1 2 员对重物的冲量为Mg(t +t +Δt),重物的位移为(h +h),根据W=Flcos α可知运动员对 1 2 1 2 重物做的功为Mg(h+h),选项C正确,D错误. 1 2 题型三:变力冲量的计算 类型一:应用动量定理法计算变力的冲量 【知识思维方法技巧】 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求变力的冲量,可以求出 该力作用下物体动量的变化量Δp,再利用动量定理求力的冲量I. 【典例3a基础题】如图所示,悬挂于竖直弹簧下端的小球质量为 m,运动速度的大小为 v,方向向下。经过时间t,小球的速度大小为v,方向变为向上。忽略空气阻力,重力加 速度为g,该运动过程中,小球所受弹簧弹力冲量的大小为( ) 2 学科网(北京)股份有限公司A.mgt B.mv+mgt C.2mv+mgt D.2mv-mgt 【典例3a基础题】【答案】C 【解析】取竖直向上为正方向,则小球重力的冲量为-mgt,设弹簧弹力对小球冲量的大小 为I,由动量定理有mv-(-mv)=I-mgt,得出I=2mv+mgt,选项C正确。 【典例3a基础题对应练习】如图所示,圆盘在水平面内以角速度ω绕中心轴匀速转动,圆 盘上距轴r处的P点有一质量为m的小物体随圆盘一起转动。某时刻圆盘突然停止转动, 小物体由P点滑至圆盘上的某点停止。下列说法正确的是( ) A.圆盘停止转动前,小物体所受摩擦力的方向沿运动轨迹切线方向 B.圆盘停止转动前,小物体运动一圈所受摩擦力的冲量大小为2mωr C.圆盘停止转动后,小物体沿圆盘半径方向运动 D.圆盘停止转动后,小物体整个滑动过程所受摩擦力的冲量大小为mωr 【典例3a基础题对应练习】【答案】D 【解析】圆盘停止转动前,小物体所受摩擦力提供向心力,所以摩擦力方向沿半径方向指 向圆心,故A错误;圆盘停止转动前,根据动量定理 I=Δp,小物体转动一圈回到原点, 速度不变,所以动量变化量为0,摩擦力的冲量为0,故B错误;圆盘停止转动后,小物体 将沿停止前的速度方向做匀减速运动,故C错误;圆盘停止转动后,小物体将沿停止前的 速度方向做匀减速运动,停止转动瞬间的速度v=ωr,最终停止运动速度为0,根据动量 定理I=Δp,可知动量变化量为mωr,所以摩擦力的冲量为mωr,故D正确。 类型二:应用图像法计算变力的冲量 【知识思维方法技巧】 Ft图像围成的面积表示冲量,此法既可以计算恒力的冲量,也可以计算变力的冲量。若F -t成线性关系,也可直接用平均力求变力的冲量。 3 学科网(北京)股份有限公司【典例3b基础题】(多选)一质点静止在光滑水平面上,现对其施加水平外力F,且力F随 时间按正弦规律变化如图所示,下列说法正确的是( ) A. 第2 s末,质点的动量为0 B. 第4 s末,质点回到出发点 C. 在0~2 s时间内,力F的功率先增大后减小 D. 在1~3 s时间内,力F的冲量为0 【典例3b基础题】【答案】CD 【解析】由题图可知,0~2 s时间内F的方向和质点运动的方向相同,质点经历了一个加 速度逐渐增大的加速运动和加速度逐渐减小的加速运动,所以第2 s末,质点的速度最大, 动量最大,故选项A错误;在2~4 s内F的方向与0~2 s内F的方向相反,故质点在0~2 s内做加速运动,2~4 s内做减速运动,由于力F随时间按正弦规律变化,所以质点在0~ 4 s内的位移均为正,没有回到出发点,故选项B错误;在0~2 s内,质点速度在增大,力 F先增大后减小,根据瞬时功率P=Fv得,力F瞬时功率开始为0,第2 s末时也为0,所 以在0~2 s时间内,力F的功率先增大后减小,故选项C正确;在F-t图像中,图线与 横轴所围的面积表示力F的冲量大小,由题图可知,1~2 s内的面积与2~3 s内的面积大 小相等,方向为一正一负,则在1~3 s时间内,力F的冲量为0,故选项D正确. 【典例3b基础题对应练习】(多选)一质量为2 kg的物块在合外力F的作用下从静止开始沿 直线运动.F随时间t变化的图线如图所示,则( ) A.t=1 s时物块的速率为1 m/s B.t=2 s时物块的动量大小为4 kg·m/s C.t=3 s时物块的动量大小为5 kg·m/s D.t=4 s时物块的速度为零 【典例3b基础题对应练习】【答案】AB 【解析】由动量定理可得:Ft=mv,解得v=.t=1 s时物块的速率为v== m/s=1 m/s, 故A正确;t=2 s时物块的动量大小p =F t =2×2 kg·m/s=4 kg·m/s,t=3 s时物块的动量 2 22 4 学科网(北京)股份有限公司大小为p =(2×2-1×1) kg·m/s=3 kg·m/s,t=4 s 时物块的动量大小为 p =(2×2-1×2) 3 4 kg·m/s=2 kg·m/s,所以t=4 s时物块的速度为1 m/s,故B正确,C、D错误. 考点二:动量定理的理解及应用 题型一:应用动量定理解释生活现象 【知识思维方法技巧】 应用动量定理解释生活现象的技巧: 由Ft=p′-p,得F==可知,物体的动量变化量Δp一定时,力的作用时间越短,力就越 大,反之力就越小。作用力F一定时,力的作用时间越长,动量变化量越大,反之动量变 化量就越小。 【典例1基础题】篮球运动员接传来的篮球时,通常要先伸出两臂迎球,手触到球瞬间顺 势后引。这样可以减小( ) A.球对手的力的冲量 B.球对手的力的大小 C.球的动量变化量 D.球的动能变化量 【典例1基础题】【答案】B 【解析】球对手的冲量I=mv-mv 不变,故选项A错误;篮球运动员接传来的篮球时,通 0 常要先伸出两臂迎球,手触到球瞬间顺势后引,增加了手与球间的相互作用时间,根据Ft =mv-mv 可知,减小了球对手的力的大小,故选项B正确;根据动量变化Δp=mv-mv 0 0 可知,动量变化量相同,故选项C错误;球的动能变化量ΔE =mv2-mv不变,故选项D k 错误。 【典例1基础题对应练习】1998年6月18日,清华大学对富康轿车成功地进行了中国轿车 史上的第一次碰撞安全性实验,成功“中华第一撞”,从此,我国汽车整体安全性碰撞实 验开始与国际接轨,在碰撞过程中,关于安全气囊的保护作用认识正确的是( ) A.安全气囊的作用减小了驾驶员的动量变化 B.安全气囊减小了驾驶员受到撞击力的冲量 C.安全气囊主要是减小了驾驶员的动量变化率 D.安全气囊延长了撞击力的作用时间,从而使得动量变化更大 【典例1基础题对应练习】【答案】C 【解析】在碰撞过程中,驾驶员的动量的变化量是一定的,而用安全气囊后增加了作用的 时间,根据动量定理Ft=Δp可知,安全气囊减小了驾驶员受到的撞击力,即安全气囊减小 了驾驶员的动量变化率. 题型二:应用动量定理计算动量的变化量 【知识思维方法技巧】 在曲线运动中,速度方向时刻在变化,求动量变化(Δp=p -p)需要应用矢量运算方法,计 2 1 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. 【典例2基础题】质量为0.2 kg的球竖直向下以6 m/s的速度落至水平地面,再以4 m/s的 5 学科网(北京)股份有限公司速度反向弹回。取竖直向上为正方向,在小球与地面接触的时间内,关于球的动量变化量 Δp和合外力对小球做的功W,下列说法正确的是( ) A.Δp=2 kg·m/s W=-2 J B.Δp=-2 kg·m/s W=2 J C.Δp=0.4 kg·m/s W=-2 J D.Δp=-0.4 kg·m/s W=2 J 【典例2基础题】【答案】A 【解析】取竖直向上为正方向,则小球与地面碰撞过程中动量的变化量Δp=mv -mv = 2 1 0.2×4 kg·m/s-0.2×(-6) kg·m/s=2 kg·m/s,方向竖直向上。由动能定理知,合外力做的功 W=mv-mv=×0.2×42 J-×0.2×62 J=-2 J。 【典例2基础题对应练习】(多选)跳水运动员在跳台上由静止直立落下,落入水中后在 水中减速运动到速度为零时并未到达池底,不计空气阻力,则关于运动员从静止落下到在 水中向下运动到速度为零的过程中,下列说法正确的是( ) A.运动员在空中动量的变化量等于重力的冲量 B.运动员整个向下运动过程中合外力的冲量为零 C.运动员在水中动量的变化量等于水的作用力的冲量 D.运动员整个运动过程中重力的冲量与水的作用力的冲量等大反向 【典例2基础题对应练习】【答案】C 【解析】根据动量定理可知,运动员在空中动量的变化量等于重力的冲量,A项正确;运 动员整个向下运动过程中,初速度为零,末速度为零,因此合外力的冲量为零,B项正确; 运动员在水中动量的变化量等于重力和水的作用力的合力的冲量,C项错误;由于整个过 程合外力的冲量为零,因此运动员整个过程中重力的冲量与水的作用力的冲量等大反向, D项正确. 题型三:应用动量定理计算合外力的冲量 【知识思维方法技巧】 合外力冲量=力与力的作用时间的乘积=各力冲量的矢量和=mv′-mv 【典例3基础题】质量为m的物体在光滑水平面上以速度v匀速向左运动。某时刻施加恒 力F作用在物体上,力F与水平方向夹角为θ,如图所示。经过时间t,物体的速度大小仍 为v,方向水平向右。则在时间t内,下列说法中正确的是( ) A.重力对物体的冲量大小为零 B.拉力F对物体的冲量大小是Ftcos θ C.合力对物体的冲量大小为零 6 学科网(北京)股份有限公司D.力F与v的大小满足的关系为Ftcos θ=2mv 【典例3基础题】【答案】D 【解析】重力对物体的冲量大小I =mgt≠0,A错误;拉力F对物体的冲量大小 G I =Ft,B错误;根据动量定理I =Δp,Ftcos θ=2mv≠0,C错误,D正确。 F 合 题型四:应用动量定理计算物体的相互作用力 【知识思维方法技巧】 用动量定理解题的基本思路: (1)确定研究对象.在中学阶段用动量定理讨论的问题,其研究对象一般仅限于单个物体. (2)对物体进行受力分析.可先求每个力的冲量,再求各力冲量的矢量和——合力的冲量; 或先求合力,再求其冲量. (3)抓住过程的初、末状态,选好正方向,确定各动量和冲量的正负号.根据动量定理列 方程,如有必要还需要补充其他方程,最后代入数据求解. 【典例4基础题】乒乓球运动的高抛发球是由我国运动员刘玉成于1964年发明的,后成为 风靡世界乒坛的一项发球技术。某运动员在练习高抛发球时,手掌张开且伸平,将一质量 为2.7 g的乒乓球由静止开始竖直向上抛出,抛出后乒乓球向上运动的最大高度为 2.45 m, 若抛球过程中,手掌和乒乓球接触的时间为 5 ms,不计空气阻力,重力加速度 g取10 m/s2,则该过程中手掌对乒乓球的作用力大小约为( ) A.0.4 N B.4 N C.40 N D.400 N 【典例4基础题】【答案】B 【解析】乒乓球抛出时的速度为v== m/s=7 m/s,对抛球的过程运用动量定理可得Ft- mgt=mv,则F=+mg≈4 N,故B正确,A、C、D错误。 【典例4基础题对应练习】高空坠物极易对行人造成伤害.若一个50 g的鸡蛋从一居民楼 的25层坠下,与地面的碰撞时间约为2 ms,则该鸡蛋对地面产生的冲击力约为( ) A.10 N B.102 N C.103 N D.104 N 【典例4基础题对应练习】【答案】C 【解析】设每层楼高约为3 m,则下落高度约为h=3×25 m=75 m,由mgh=mv2及(F- mg)t=mv知,鸡蛋对地面的冲击力F=+mg≈103 N. 题型五:应用动量定理计算流体对界面的冲击力 【知识思维方法技巧】 流体类通常指液体流、气体流,质量具有连续性,通常已知密度ρ。用微元法沿流速v的 方向选取Δt时间内一段柱形流体为研究对象,建立柱体模型,其横截面积为S,质量Δm =ρS vΔt,以Δm这段柱状流体为研究对象,选定正方法,应用动量定理FΔt=Δp建立方程, 求出对界面的冲击力F。 类型一:水流模型 7 学科网(北京)股份有限公司【典例5a基础题】运动员在水上做飞行表演,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,取重力加速度大小g=10 m/s2,水的密度ρ=1.0×103 kg/m3,则喷嘴处喷水的速度大约为( ) A.2.7 m/s B.5.4 m/s C.7.6 m/s D.10.8 m/s 【典例5a基础题】【答案】C 【解析】设Δt时间内一个喷嘴中有质量为m的水喷出,忽略水的重力的冲量,对两个喷嘴 喷出的水由动量定理得:FΔt=2mv ,m=ρvΔt· π,因运动员悬停在空中,则F=Mg ,联 立并代入数据解得:v≈7.6 m/s,故C正确. 【典例5a基础题对应练习】人们常说“滴水能穿石”.一瀑布落差为h=20 m,水流量为 Q=0.20 m3/s,水的密度ρ=1.0×103 kg/m3,水在最高点和落至石头上后的速度都认为是 零(落在石头上的水立即流走,石头对水作用时不考虑水的重力,g取10 m/s2).求水对石 头的冲击力的大小. 【典例5a基础题对应练习】【答案】4×103 N 【解析】水在下落过程中,根据动能定理得,Mgh=Mv2,水下落20 m时的速度v=20 m/s,设极短时间t内落至石头上的水的质量为m,则m=Qtρ,设石头对水的平均作用力 为F,根据动量定理得Ft=mv,联立并代入数据得F=4×103 N,由牛顿第三定律得水对 石头的冲击力大小为F′=F=4×103 N. 类型二:气流模型 【典例5b基础题】在某校“玩转奇趣悬浮,揭开飞翔奥秘”的科技实验活动中,一位同学 表演了一个悬球实验,该实验装置如图:一根两端开口的竖直细管,底端与充气泵(图中未 画出)连接,充气泵将气体由底端吹入,使细管上端的小球悬浮在空中.假设气体的密度恒 为ρ,气体与小球的作用面积恒为S,气体与小球作用前速度为v,与作用面垂直,作用后 速度减为零.重力加速度为g,则小球的质量为( ) A. B. C. D. 8 学科网(北京)股份有限公司【典例5b基础题】【答案】A 【解析】设管中单位时间喷出气体的质量为Δm,根据柱状模型则Δm=ρSvΔt 设气体对球的作用力大小为F,则F=Mg,由牛顿第三定律可知球对气体的作用力大小为 F′=F=Mg,由动量定理有F′Δt=Δm·v=ρSvΔt·v解得M=,故选A. 【典例5b基础题对应练习】超强台风“山竹”的风力达到17级超强台风强度,风速60 m/s左右,对固定建筑物破坏程度巨大。请你根据所学物理知识推算固定建筑物所受风力 (空气的压力)与风速(空气流动速度)大小的关系。假设某一建筑物垂直风速方向的受力面积 为S,风速大小为v,空气吹到建筑物上后速度瞬间减为零,空气密度为ρ,风力F与风速 大小v的关系式为( ) A.F=ρSv B.F=ρSv2 C.F=ρSv3 D.F=ρSv3 【典例5b基础题对应练习】【答案】B 【解析】设t时间内吹到建筑物上的空气质量为m,则m=ρSvt,根据动量定理得-F′t=0 -mv=0-ρSv2t,解得F′=ρSv2,由牛顿第三定律得:F=F′=ρSv2,故B正确,A、C、D 错误。 类型三:其他模型 【典例5c基础题】宇宙飞船在飞行过程中有很多技术问题需要解决,其中之一就是当飞船 进入宇宙微粒尘区时如何保持速度不变的问题。假设一宇宙飞船以 v=2.0×103 m/s的速度 进入密度ρ=2.0×10-6 kg/m3的微粒尘区,飞船垂直于运动方向上的最大截面积S=5 m2, 且认为微粒与飞船相碰后都附着在飞船上,则飞船要保持速度v不变,所需推力多大? 【典例5c基础题】【答案】40 N 【解析】设飞船在微粒尘区飞行Δt时间,则在这段时间内附着在飞船上的微粒质量Δm= ρSvΔt,微粒由静止到与飞船一起运动,微粒的动量增加,由动量定理Ft=Δp得FΔt=Δmv =ρSvΔtv,所以飞船所需推力F=ρSv2=2.0×10-6×5×(2.0×103)2N=40 N。 【典例5c基础题对应练习】太空中的尘埃对飞船的碰撞会阻碍飞船的飞行,质量为M的 飞船飞入太空尘埃密集区域时,需要开动引擎提供大小为 F的平均推力才能维持飞船以恒 定速度v匀速飞行.已知尘埃与飞船碰撞后将完全黏附在飞船上,则在太空尘埃密集区域 单位时间内黏附在飞船上的尘埃的质量为( ) A.M+ B.-M C.M- D. 【典例5c基础题对应练习】【答案】D 【解析】设t时间内黏附在飞船上的尘埃的质量为m,以t时间内黏附在飞船上的尘埃及飞 船为研究对象,由动量定理得Ft=(M+m)v-Mv,所以m=,则=,故D正确. 9 学科网(北京)股份有限公司题型六:应用动量定理计算微粒对界面的冲击力 【知识思维方法技巧】 微粒类通常指电子流、光子流、尘埃等质量具有独立性,通常已知单位体积内粒子数 n。 用微元法沿运动方向选取Δt时间内一段柱形流体为研究对象,建立柱体模型,其横截面积 为S,对应的体积为ΔV=S v Δt,则微元柱体内的粒子数N=nvSΔt,以单个粒子为研究对 象,选定正方法,应用动量定理F Δt=Δp求出单个粒子对界面的冲击力F ,再乘以N计 0 0 算出对界面的冲击力F。 【典例6基础题】一宇宙飞船的横截面积为S,以v 的恒定速率航行,当进入有宇宙尘埃 0 的区域时,设在该区域,单位体积内有n颗尘埃,每颗尘埃的质量为m,若尘埃碰到飞船 前是静止的,且碰到飞船后就粘在飞船上,不计其他阻力,为保持飞船匀速航行,飞船发 动机的牵引力功率为( ) A.Snmv 2 B.2Snmv 2 C.Snmv 3 D.2Snmv 3 0 0 0 0 【典例6基础题】【答案】C 【解析】时间t内黏附在飞船上的尘埃质量:M=nSv tm,对黏附的尘埃,由动量定理得: 0 Ft=Mv ,解得:F=nmv 2S;维持飞船匀速运动,飞船发动机牵引力的功率为P=Fv = 0 0 0 nmv 3S,故选项C正确,A、B、D错误. 0 【典例6基础题对应练习】正方体密闭容器中有大量运动粒子,每个粒子的质量均为 m, 单位体积内粒子数量n为恒量。为简化问题,我们假定:粒子大小可以忽略,其速率均为 v,且与器壁各面碰撞的机会均等,与器壁碰撞前后瞬间,粒子速度方向都与器壁垂直, 且速率不变。利用所学力学知识,导出器壁单位面积所受粒子压力f与m、n和v的关系。 【典例6基础题对应练习】【答案】f=nmv2 【解析】一个粒子每与器壁碰撞一次给器壁的冲量ΔI=2mv 如图所示,以器壁上面积为S的部分为底、vΔt为高构成柱体,由题设可知,其内有的粒子 在Δt时间内与器壁上面积为S的部分发生碰撞,碰壁粒子总数N=n·SvΔt,Δt时间内粒子 给器壁的冲量I=N·ΔI=nSmv2Δt,器壁上面积为S的部分受到粒子的压力F=,则器壁单 位面积所受粒子的压力f==nmv2。 10 学科网(北京)股份有限公司