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突破六、碰撞模型(解析版)_04-物理-高考总复习_一轮复习_2024年_2024年高考物理一轮重难点复习_资料

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突破六、 碰撞模型
碰撞模型及应用
1.三种碰撞的特点及规律
弹性碰撞
动量守恒:m1v1+m2v2=m1v1′+m2v2′
机械能守恒:m1v12+m2v22=m1v1′2+m2v2′2
完全非弹性碰撞
动量守恒、末速度相同:m1v1+m2v2=(m1+m2)v′
机械能损失最多,损失的机械能:
ΔE=m1v12+m2v22-(m1+m2)v′2
非弹性碰撞
动量守恒:m1v1+m2v2=m1v1′+m2v2′
机械能有损失,损失的机械能:
ΔE=m1v12+m2v22-m1v1′2-m2v2′2
碰撞问题遵循的
三条原则
(1)动量守恒:p1+p2=p1′+p2′
(2)动能不增加:Ek1+Ek2≥Ek1′+Ek2′
(3)若碰后同向,后方物体速度不大于前方物体速度
2.弹性碰撞的“动碰静”模型
(1)由动量守恒和能量守恒得,
m1v0=m1v1+m2v2
m1v02=m1v12+m2v22;
(2)碰后的速度:v1=v0,v2=v0.
3.弹性碰撞模型的拓展应用
1
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【例题】子弹瞄准小物块A,小物块A 通过一不可伸长的轻绳悬挂在天花板下,初始时静止。子弹沿水平
方向与A 相撞,碰撞前子弹的速度大小为v,碰撞后二者粘在一起,并摆起一个较小角度。已知A 和子弹
的质量分别为
和m,重力加速度大小为g,碰撞时间极短且忽略空气阻力。下列选项正确的是(  )
A.子弹与小物块A 的碰撞可视为完全非弹性碰撞
B.子弹与小物块A 碰撞前后两者组成的系统的机械能之和不变
C.子弹与小物块A 碰撞前后两者组成的系统的总动量有变化
D.碰撞后子弹与小物块A 一起上升的最大高度与绳子长度有关
【答案】A
【详解】A.由于碰撞时间极短,故碰撞过程中内力远远大于外力,所以子弹与A 碰撞过程满足动量守
恒。碰撞后二者粘在一起,发生完全非弹性碰撞,碰撞前后系统的一部分机械能转化为内能,故A 正确,
BC 错误;
D.设碰撞后瞬间子弹与A 的共同速度为v′。取水平向右为正方向,由动量守恒定律得
解得
碰撞后子弹与A 一起上升的过程,根据动能定理得
结合
解得
2
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与绳长L 无关,故D 错误。
故选A。
【例题】如图所示,质量相等的A、B 两个球,原来在光滑水平面上沿同一直线相向做匀速直线运动,规
定向右为正方向,A 球的速度是6m/s,B 球的速度是
,A、B 两球发生对心碰撞。对于该碰撞之后
的A、B 两球的速度可能值,某实验小组的同学们做了很多种猜测,下面的猜测结果一定无法实现的是( 
)
A.
,
B.
,
C.
,
D.
,
【答案】D
【详解】设每个球的质量为m,取向右为正方向,碰前系统总动量
碰前的总机械能
A.若
,则碰后总动量
可得动量守恒。总机械能
可知机械能守恒,是可能的,故A 不符合题意;
B.若
,则碰后总动量
可得动量守恒。总机械能为
3
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可知机械能减少,是可能的,故B 正确不符合题意;
C.若
,则碰后总动量
可得动量守恒。总机械能为
可知机械能减少,是可能的,故C 正确不符合题意;
D.若
,则碰后总动量
可知动量守恒。总机械能为
机械能增加,违反能量守恒定律,不可能,故D 错误符合题意;
故选D。
弹性碰撞模型及拓展
1.“滑块—弹簧”模型 (如图)
水平面光滑
(1)注意临界条件:弹簧压缩到最短或伸长到最长时,两滑块同速,弹簧的弹性势能最大。
(2)从开始压缩弹簧到弹簧恢复原长的过程,可看成弹性碰撞过程,恢复原长时,v1=v0,v2=v0。
2.“滑块—斜面”模型(如图)
各接触面均光滑
4
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(1)水平方向动量守恒。
(2)注意临界条件:滑块沿斜面上升到最高点时,滑块与斜面同速,系统动能最小,重力势能最大。
(3)从滑块以v0 滑上斜面再滑下到分离的过程,可看成弹性碰撞过程,滑块离开斜面时,v1=v0,v2=
v0。
3.“小球—圆弧槽”模型 (如图)
接触面均光滑
(1)水平方向动量守恒。
(2)小球滑上圆弧槽并从顶端离开圆弧槽时,小球与圆弧槽水平速度相同,离开后二者水平位移相同,小球
会沿切面再进入圆弧槽。
(3)从小球以v0 滑上圆弧槽再滑下到分离的过程,可看成弹性碰撞过程,小球离开圆弧槽时,v1=v0,v2
=v0。
【例题】如图所示,轻弹簧左端固定在墙壁上,右端拴接质量为
的物块
,初始时弹簧处于原长状
态,物块
静止在地面上,其左侧地面光滑,右侧地面粗糙.质量为
的物块
从距离物块
为
的位置
以大小为
的初速度向
运动,并以大小为
的速度与
发生碰撞(碰撞时间极短),碰后物块
静
止。两物块均可视为质点,重力加速度为
,则(  )
A.物块
与地面间的动摩擦因数为
B.两物块第一次碰撞损失的能量为
C.弹簧的最大弹性势能为
D.物块
最终停止在其初始位置的右侧
【答案】B
5
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【详解】A.根据题意,B 运动过程中,由动能定理有
解得
故A 错误;
B.由于碰撞时间极短,则碰撞过程系统动量守恒,则有
解得
则两物块第一次碰撞损失的能量为
故B 正确;
C.根据题意可知,碰撞之后,物块A 和弹簧组成的系统机械能守恒,当物块A 的动能为0 时,弹簧的弹
性势能最大,由机械能守恒定律有
故C 错误;
D.根据题意,由上述分析可知,物块B 由初位置运动到物块A 静止的位置,动能减小了
由于碰撞过程中动能损失,则物块B 经过2 次与物块A 的碰撞,动能一定小于
,由动能定理可知,
物块
最终一定停止在其初始位置的左侧,故D 错误。
故选B。
【例题】如图所示,位于光滑水平桌面上的小滑块P 和Q 都可视作质点,P 的质量是Q 的2 倍,Q 与轻质
弹簧相连。设Q 静止,P 以初速度v0向Q 运动(轻质弹簧与P 不粘连)并与弹簧发生碰撞。在整个碰撞过
程中有(  )
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A.当弹簧被压缩最短时,Q 的速度最大B.P 的最终动能是它初动能的
C.P 被弹簧弹开瞬间速度与初速度反向
D.由于弹簧被压缩,最终P 将静止
【答案】B
【详解】A.当Q 只要受到弹簧弹力作用时就有加速度,则当弹簧恢复原长时,Q 的加速度为零,速度最
大,选项A 错误;
BCD.当弹簧恢复原长时,设P、Q 的速度分别为v1、v2,且设P、Q 的质量分别为2m 和m,则由动量守
恒定律和能量关系可知
解得
 
P 的初动能
P 的末动能
则P 的最终动能是它初动能的
,P 被弹簧弹开瞬间速度与初速度同向,最终以
的速度做匀速运动,选
项B 正确,CD 错误。
故选B。
一、单选题
1.一篮球从空中某位置由静止开始下落,刚到达地面时的速度大小为10m/s,然后与水平地面撞击后以大
小为5m/s 的速度反弹。已知篮球与地面碰撞的作用时间为0.2s,以竖直向下方向为正方向,则篮球与地面
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碰撞过程中的平均加速度为(  )
A.
B.
C.
D.
【答案】D
【详解】以竖直向下为正方向,初速度为10m/s,末速度为-5m/s,篮球在与地面碰撞过程的平均加速度为
故选D。
2.如图所示,光滑水平直轨道上有三个半径相等的小球a、b、c,质量分别为
、
,开
始时b、c 均静止,a 以初速度
向左运动,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。则b 与c 碰撞前b 的速度大小为(  )
A.4m/s
B.6m/s
C.8m/s
D.10m/s
【答案】B
【详解】本题分两个物理过程研究:a 与b 相撞,b 又与c 发生碰撞的过程.设a 与b 碰撞后,a 的速度为
,b 与c 碰撞前b 的速度为
,b 与c 碰撞后粘在一起的速度为v,由动量守恒定律:对a、b 木块
对b、c 木块
碰撞结束后,a、b、c 都做匀速直线运动,由a 与b 间的距离保持不变可知
代入数据联立解得
故选B。
3.如图所示,曲面与足够长的水平地面平滑连接,小球A 从曲面上P 点由静止滑下,与静止在水平地面
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上的小球B 发生弹性正碰,由于小球A 的质量较小,碰后会冲上曲面,不计一切阻力,两小球均视为质
点,下列说法正确的是(  )
A.碰后小球A 可能回到P 点
B.若
,则两小球能碰撞两次
C.若
,则两小球能碰撞两次
D.若
,则两小球能碰撞三次
【答案】C
【详解】A.根据能量守恒定律知,碰后小小球A 的一部分机械能转移给了B,小球A 的机械能减小,可
知小球
不可能返回到
点,故
错误;
B.设第一次碰后小球B 的速度大小为
,小球
的速度大小为
,则有
,
解得
,
若
,则有
说明两小球只能碰撞一次,故B 错误;
CD.结合上述,若
,则有
可知两小球将再次碰撞,设第二次碰后小球B 的速度大小为
,小球
的速度为
,则有
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,
解得
两小球能碰撞两次,故C 正确、D 错误。
故选C。
4.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st 图像如图乙所示。已知ma=5kg,若b 球的质量为mb,两球因碰撞而损失的机械能
为ΔE,则(  )
A.mb=1kg
B.mb=2kg
C.ΔE=10J
D.ΔE=35J
【答案】A
【详解】AB.由于st 图像的斜率表示速度,所以碰撞前a 球的速度为
b 球的速度为0,碰撞后a、b 两球的共同速度为
取碰撞前a 球的速度方向为正方向,根据动量守恒定律得
代入数据解得
故A 正确,B 错误;
CD.碰撞过程中系统损失的机械能为
故CD 错误。
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故选A。
5.如图所示,小球B 放置在光滑水平面上,小球A 从斜面滚落到水平面后以
的动量与小球B 发
生对心碰撞,碰后小球B 的动量为
,用k 表示B 球质量与A 球质量的比值,则k 的取值范围是( 
)
A.
B.
C.
D.
【答案】A
【详解】由动量守恒定律,得
已知
,
,代入数据解得
根据碰撞过程中总动能不增加,则有
代入数据解得
碰后两球同向运动,球A 的速度不大于球B 的速度,则
解得
综上可得
故选A。
6.如图所示,质量m1=2kg 的滑块与质量m2=3kg 的带挡板的木板用轻弹簧拴接在一起,起初弹簧处于原
长,它们一起以v0=4m/s 的速度在水平面上向右运动,之后木板与固定墙面发生弹性碰撞,弹簧始终处于
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弹性限度内,忽略一切摩擦,则从木板与墙壁碰撞后到弹簧第一次压缩到最短的过程中,弹簧对滑块的冲
量大小是(  )
A.6.4N•s
B.9.6N•s
C.14.4N•s
D.8N•s
【答案】B
【详解】木板与墙发生弹性碰撞,以原速率反向,滑块速度不变,此后滑块与木板系统动量守恒,压缩到
最短时两物体共速,有
由动量定理知弹簧对滑块的冲量等于滑块的动量的改变量,故有
代入数据得
故选B。
7.某雾霾天的能见度不足
,在这样的恶劣天气中,甲、乙两汽车在一条平直的单行道上,乙在前、甲
在后同向行驶。某时刻两车司机同时听到前方有事故发生的警笛提示,同时开始刹车。两辆车刹车时的
图像如图,则:(  )
A.若两车发生碰撞,开始刹车时两辆车的间距一定小于
B.若两车不发生碰撞,开始刹车时两辆车的间距一定大于
C.若刹车时乙距离事故点大于
且甲距乙
,则不会发生碰撞
D.若两车发生碰撞,则一定在刹车后
之内的某时刻
【答案】D
【详解】根据
图像斜率表示加速度,由图可知,甲、乙刹车时的加速度大小分别为
,
即甲做初速度为
,加速度大小为
的匀减速运动,乙做初速度为
,加速度大小为
的匀减速运动
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ABD.若两车恰好不碰撞,即当两车速度相等时,甲追上乙,设经过时间两车速度相等,则有
解得
,
可得,若两车发生碰撞,则一定在刹车后
之内的某时刻,
时,甲的位移为
乙的位移为
可得,两车恰好不碰撞,开始刹车时两辆车的间距为
即两车发生碰撞,开始刹车时两辆车的间距一定小于
,两车不发生碰撞,开始刹车时两辆车的间距
一定大于等于
,故AB 错误,D 正确;
C.由上述分析可知,甲距乙
会发生碰撞,故C 错误。
故选D。
8.如图甲所示,在光滑水平面上的两小球发生正碰,小球的质量分别为m1和m2。图乙为它们碰撞前后的
x-t(位移—时间)图像。已知m1=0.1 kg。由此可以判断(  )
A.碰前质量为m1的小球静止,质量为m2的小球向左运动
B.碰后质量为m2的小球和质量为m1的小球都向右运动
C.m2=0.3 kg
D.两个小球的碰撞是非弹性碰撞
【答案】C
【详解】A.由图象可知,碰前小球1 做向右做匀速直线运动,小球2 静止,故A 错误;
B.位移—时间图像中,图像斜率的正负表示物体速度的方向,由图可知,碰后小球1 向左运动,小球2
向右运动,故B 错误;
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C.碰撞前小球1 的速度为
碰撞后小球1 的速度为
碰撞后小球2 的速度为
碰撞过程中,两个小球组成的系统动量守恒
解得
故C 正确;
D.碰撞前两个小球的总动能为
碰撞后两小球的总动能为
两小球组成的系统碰撞前后总动能保持不变,故碰撞过程为完全弹性碰撞,故D 错误。
故选C。
9.内壁光滑的圆环管道固定于水平面上,图为水平面的俯视图。O 为圆环圆心,直径略小于管道内径的
甲、乙两个等大的小球(均可视为质点)分别静置于P、Q 处,
,甲、乙两球质量分别为km、
m。现给甲球一瞬时冲量,使甲球沿图示方向运动,甲、乙两球发生弹性碰撞,碰撞时间不计,碰后甲球
立即反弹,甲球刚到
处时,恰好与乙球再次发生碰撞,则(  )
14
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A.
B.
C.
D.
【答案】B
【详解】设甲球的初速度为
,碰撞后甲球的速度大小为
,乙球的速度大小为
,从发生第一次碰撞到
再次碰撞的时间间隔为t,甲、乙两球发生弹性碰撞则有
小球碰撞后,甲球运动了
圆弧,乙球运动了
圆弧之后再次发生碰撞,则
联立得到
故选B。
10.1932 年,查德威克用未知射线轰击氢核,发现这种射线是由质量与质子大致相等的中性粒子(即中
子)组成的。如图所示,中子以速度
分别碰撞静止的氢核和氮核,碰撞后氢核和氮核的速度分别为
和
。设碰撞为弹性正碰,不考虑相对论效应,下列说法正确的是(    )
A.碰撞后氮核的动量比氢核的小
B.碰撞后氮核的动能比氢核的大
C.
大于
D.
小于
【答案】D
【详解】设中子的质量为
,氢核的质量为
,氮核的质量为
。设中子与氢核碰撞后中子的速度为
,则有
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联立解得
设中子与氮核碰撞后中子的速度为
,则有
联立解得
综上有
碰撞后,氢核的动量为
氮核的动量为
可知
;碰撞后,氢核的动能为
氮核的动能为
可知
。故ABC 错误、D 正确。
故选D。
二、多选题
11.如图所示,静置于光滑水平面上的物块A 质量为m,B 的质量为2m,A 的右侧固定一根轻弹簧。现给
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A 一个水平向右的初速度v,A 匀速运动一段距离后,与B 发生碰撞,直到A、B 分离,则在整个运动过程
中(  )
A.以A、B 为系统,动量守恒、机械能守恒
B.B 的最大速度为
C.A 最小速度为
D.弹簧的最大弹性势能
【答案】BD
【详解】A.若以A、B 和弹簧为系统,由于整个过程水平方向不受外力,系统的动量守恒,系统的机械
能守恒,但以A、B 为系统,系统的机械能不守恒,故A 错误;
BC.从开始接触到弹簧再次恢复到原长时,则由动量守恒和能量关系
得
该过程中B 一直做加速运动,恢复原长时速度最大,A 先减速后返向加速,故B 正确,C 错误;
D.A、B 速度相等时弹簧弹性势能最大,由动量守恒定律得
故D 正确。
故选BD。
12.如图所示,位于光滑水平桌面上的小滑块P 和Q 都可视为质点,MP=m,MQ=3m。Q 与轻质弹簧相
连。设Q 静止,P 以v 向Q 运动并与弹簧发生碰撞。在整个碰撞过程中(  )
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A.P 与弹簧分开时速度为0
B.弹簧的最大弹性势能为
C.P 与弹簧分开时,P、Q 速度大小之比是2:1,方向相反
D.P 与弹簧分开时,P、Q 速度大小之比是1:1,方向相反
【答案】BD
【详解】B.当两物体速度相同时,弹簧的弹性势能最大,则
联立解得
故B 正确;
ACD.P 与Q 组成的系统,从开始压缩弹簧到P 与弹簧分离的过程,有
联立解得
,
即P 与弹簧分开时,P、Q 速度大小之比是1:1,方向相反,故AC 错误,D 正确。
故选BD。
三、解答题
13.如图所示,在光滑水平面上放有长木板C,C 上左端是固定挡板P,在C 上右端和中点处各放有可视
为质点的物块A 和B,P 的厚度忽略不计,A、B 之间和B、P 之间的距离均为L,现给A 一个瞬时冲量,
使A 以某一速度开始向左运动,已知A、C 之间和B、C 之间的动摩擦因数均为μ,最大静摩擦力等于滑动
摩擦力,A、B、C(连同挡板P)的质量相同。
(1)若物块A 与B 能发生碰撞,则物块A 的初速度
至少多大?
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(2)若物块A 与B 发生弹性碰撞后,物块B 能与挡板P 发生碰撞,则物块A 的初速度
至少多大?
【答案】(1)
;(2)
【详解】(1)开始时
减速
共同加速
若物块
刚好与物块B 不发生碰撞,则物块
运动到物块B 所在处时,两者的速度大小相等,由动量守恒
定律得
在此过程中,根据能量守恒有
解得
(2)A、B 碰撞,木板C 对它们的摩擦力的冲量非常小,可忽略不计,故在碰撞过程中A、B 构成的系统
的动量守恒,而木板C 的速度保持不变,A、B 发生弹性碰撞
解得
、
即A、B 交换速度,此时A、C 速度相等,B 替换A 向前运动;设物块B 刚好与挡板不发生碰撞,则物块
B 以速度
,从板C 的中点运动到挡板P 所在处时,B 与C 的速度相等,设此时三者的速度为
,根据动
量守恒定律有
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A 以初速度
开始运动,接着与B 发生完全弹性碰撞,碰撞后物块A 相对木板C 静止,B 到达P 所在处这
一整个过程中,先是A 相对C 运动的路程为
,接着是B 相对C 运动的路程为
,能量守恒定律有
解得
14.如图所示,质量为2m 的物块A 和质量为3m 的长木板B 放在光滑水平面上,质量为m 的物块C 放在
长木板B 的右端,在B 的左端上表面固定有不计质量的弹性挡板。现给A 一个向右、大小为I 的瞬时冲
量,使A 向右运动并与B 发生弹性碰撞,结果C 刚好没滑离长木板,C 与挡板发生的是弹性碰撞,B 的长
度为L,A 和C 均可视为质点,重力加速度为g,求:
(1)A、B 碰撞过程,B 对A 的冲量;
(2)C 与B 间的动摩擦因数。
【答案】(1)
,负号表示方向向左;(2)
【详解】(1)取向右为正方向,设A 获得的瞬时速度为
,根据动量定理有
设A、B 碰撞后一瞬间,A、B 的速度分别为
、
,根据动量守恒有
根据能量守恒有
解得
20
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B 对A 的冲量为
负号表示
方向向左。
(2)设B、C 最终的共同速度为,根据动量守恒有
根据能量守恒有
解得
15.如图所示,在足够长的光滑水平面上,用质量分别为
和
的甲、乙两滑块,将轻弹簧压紧后处
于静止状态,轻弹簧仅与甲拴接,乙的右侧有一挡板P。现将两滑块由静止释放,当弹簧恢复原长时,甲
的速度大小为
,此时乙尚未与P 相撞。
(1)求弹簧恢复原长时乙的速度大小;
(2)若乙与挡板P 碰撞反弹后不能再与弹簧发生碰撞。求挡板P 对乙的冲量的最大值;
(3)若乙恰好不能追上甲,乙与档板碰撞过程中损失的机械能。
【答案】(1)
;(2)
;(3)6J
【详解】(1)根据题意可知,设向左为正方向,由动量守恒定律得
代入数据解得
(2)要使乙反弹后不能再与弹簧发生碰撞,碰后最大速度为
,设向左为正方向,由动量定理得
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解得
(3)恰好不能追上甲,则乙反弹后速度为
,损失的机械能为
解得
16.如图所示,长度为d 的直轨道AC 粗糙,B 为AC 中点,半径为R 的圆弧轨道CD 光滑,质量均为m 且
可视为质点的物块1、物块2 与直轨道AC 间的动摩擦因数均为μ,在A 位置给物块1 向右的初速度v0,物
块1 将与静止在B 位置的物块2 发生碰撞,碰撞后两者粘成一个整体,已知碰撞后物块能到达圆弧轨道的
最高点D,求:
(1)碰撞刚结束时两物块整体的速度;
(2)物块整体从D 点飞出后落地点距C 点的距离。
【答案】(1)
;(2)
【详解】(1)设碰撞前瞬间物块的速度为
,物块从A 点运动到
点的过程中,由动能定理得
设碰撞刚结束时,两物块整体的速度为
,两物块碰撞过程中满足动量守恒
解得
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(2)设物块整体到达
点时的速度为
,物块整体从
运动到
的过程,由动能定理得
从
点平抛,竖直方向满足
设水平方向位移为,则
解得
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