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专题七 动量
基础篇
考点 一 冲量、动量与动量定理 思考 若物体的动能发生变化,则动量是否发生变化?
剖析 若物体的动能发生变化,则动量一定发生变化。
一、动量
动量发生变化时动能不一定发生变化,如做匀速圆周运
1.
定义 运动物体的质量和速度的乘积叫作物
: 动的物体,因速度方向时刻变化,其动量时刻变化;因质
体的动量 即 p mv 单位为
, = , kg·m/s。 量和速率不变,其动能不变。
2.
标矢性 矢量 其方向与该时刻速度方向
: , 三、冲量
相同 1.
定义 力和力的作用时间的乘积叫作这个力
。
:
二、动量变化量
的冲量 即 I Ft
, = 。
1.
大小 物体末动量与初动量的矢量差的大小 2.
单位 牛 秒 符号
: 。
: · , N·s。
2.
方向 动量的变化量的方向也就是速度变化 3.
标矢性 冲量是矢量
:
: 。
量的方向 4.
冲量的四种计算方法
。
若初末动量在同一直线上 规定正方向后就
1) , 利用定义式I Ft 计算冲量,此方法仅适用
公式法 =
转化为代数计算 如图 规定向右为正
于恒力的冲量,无须考虑物体的运动状态
, 1、2( );
利用F t 图像计算,F t 图像与 t 轴围成的
- -
图像法 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
图 图 图 若力的方向不变、大小随时间均匀变化,即
1 2 3
力为时间的一次函数,则力 F 在某段时间 t
若初末动量不在同一直线 用矢量合成来计 平均
2) , F F
算 遵循平行四边形定则和三角形定则 与 值法 内的冲量 I 1+ 2t,F 、F 为该段时间内
, ( = 1 2
2
数学的向量类似 其方向与速度的改变量 初、末两时刻力的大小
)。
方向相同 如图 所示 如果物体受到大小或方向变化的力的作用,
, 3 。
3. 动能、动量、动量变化量的比较 动量 则不能直接用 I Ft 求变力的冲量,可以求
=
定理法 出该力作用下物体动量的变化量,由 I p
=Δ
动能 动量 动量变化量
求变力的冲量
定义式 E 1mv2 p mv p p′ p 思考 一个静止或在水平面内运动的物体,在t时间内
k= = Δ = -
2
重力是否有冲量?
标矢性 标量 矢量 矢量
5 剖析 冲量是一个过程量,只与力和时间两个因素有
特点 状态量 状态量 过程量
年
高 关,与物体的运动状态以及是否受其他力无关。 因此,
考 关联 p2 E
3 E 、E 1pv、p mE 、p 2 k 有力和力的作用时间,该力就一定有冲量。 因而重力在
方程 k= m k= = 2 k = v
年 2 2
模 t时间内有冲量,I mgt。
都是相对量,与参考系的选取有关,通常选 =
拟
联系
A 取地面为参考系
版
高
考
物
理
62
2. 四、动量定理 表达式
1.
内容 物体所受合外力的冲量等于物体动量 p p′ 系统相互作用前的总动量 p 等于相互
: 1) = ,
的变化量 作用后的总动量 p′
。 。
2.
表达式 Ft p p′ p m v m v m v ′ m v ′ 相互作用的两个物
: =Δ = - 。 2) 1 1 + 2 2 = 1 1 + 2 2 ,
3.
意义 合力的冲量是使物体动量发生变化的 体组成的系统 作用前的动量和等于作用后
: ,
原因 合力的冲量是物体动量变化量的量度 的动量和
, 。 。
4.
标矢性 动量变化量的方向与合外力的方向 p p 相互作用的两个物体动量的变化
: 3)Δ 1 =-Δ 2,
相同 可以在某一方向上应用动量定理 量等大反向
, 。 。
5. 3.
用动量定理解题的基本思路 适用条件
理想守恒 系统不受外力或所受外力的矢量
1) :
和为零 则系统动量守恒
, 。
近似守恒 系统受到的外力矢量和不为零
2) : ,
但当内力远大于外力时 系统的动量可近似
,
看成守恒
。
某一方向上守恒 系统在某个方向上所受外
3) :
力矢量和为零时 系统在该方向上动量
,
守恒
。
二、动量守恒定律与机械能守恒定律的比较
6.
应用动量定理解题的注意事项
动量守恒定律 机械能守恒定律
动量定理反映了力的冲量与动量变化之间
1)
一个系统不受外力 在只有重力或系统
的因果关系 即合力的冲量是原因 物体的
, ,
作用或所受外力的 内弹力做功的系统
动量变化是结果
。 内容 矢量和为零,这个系 中,动能与势能可以
动量定理中的冲量是所受合力 包括重力
2) ( ) 统 的 总 动 量 保 持 相互转化,而总机械
的冲量 既可以是各力冲量的矢量和 也可
不变 能保持不变
, ,
以是合力在不同阶段冲量的矢量和
E E E ′ E ′,
。 ① k+ p= k + p
动量定理的表达式是矢量式 等号包含了大 m v m v m v ′ 系统初态的机械能
3) , ① 1 1+ 2 2= 1 1 +
小相等 方向相同两方面的含义 在一维情 m v ′,两个物体组成 等于系统末态的机
、 。 2 2
况下 应先规定正方向
的系统相互作用前、 械能;
, 。
后动量保持不变; E E ,系统
②Δ k=-Δ p
考点 二 动量守恒定律 p p ,相互作 动能的增加量等于
表达式 ②Δ 1=-Δ 2
用的两个物体动量 系统势能的减少量;
一、动量守恒定律
变化量的大小相等, E E ,A、B
③Δ A增=Δ B减
1.
内容 如果一个系统不受外力 或者所受外
方向相反; 组成的系统,A 的机
: ,
力的矢量和为零 这个系统的总动量保持 p ,系统动量 械能的增加量等于
, ③Δ = 0
不变 的增量为零 B 的 机 械 能 的 减
。
少量
专
题
七
动
量
63
续表 少有一个改变或两物体速度均为零
。
动量守恒定律 机械能守恒定律 2. 碰撞类型
系统不受外力或 弹性碰撞 碰撞结束后 形变全部消失 动能
①
1) : , ,
所受外力的矢量和
没有损失 不仅动量守恒 而且初 末总动能
只有重力或系统
为零; ① , , 、
内弹力作用,没有其 相等
系统受外力,内力 。
守恒的 ② 他力作用;
m v m v m v ′ m v ′
远大于外力; + = +
条件 有重力、系统内弹 1 1 2 2 1 1 2 2
系统在某一方向 ②
③ 力以外的力作用,但 1m v2 1m v2 1m v ′2 1m v ′2
上合外力为零,那么 1 1 + 2 2 = 1 1 + 2 2
这些力不做功; 2 2 2 2
在 该 方 向 上 动 量 m m v m v
v ′ ( 1 - 2) 1 +2 2 2
守恒 1 = m m
+
1 2
研究 相 互 作 用 的 物 体 相互作用的物体系 m m v m v
v ′ ( 2 - 1) 2 +2 1 1
对象 系统 统(包括地球)
2 = m m
+
1 2
守恒 矢量守恒 标量守恒
特例 若 v 即 一动一静 的弹性碰撞 碰
性质 (规定正方向) (不考虑方向) : 2 =0, “ ” ,
后二者速度分别为
适用 宏观、微观、低速、高 只适用于宏观、低速
m m m
范围 速都适用 领域 v ′ 1 - 2v v ′ 2 1 v
1 =m m 1, 2 =m m 1
+ +
三、应用动量守恒定律解题的一般步骤 1 2 1 2
若 m m 则 v ′ v ′ v 二者速度互换
① 1 = 2, 1 =0, 2 = 1, 。
若 m m 则 v ′ m 被反弹
② 1< 2 1 <0, 1 。
若 m m 则 v ′ v 速度几乎不变
③ 1 ≫ 2, 1 ≈ 1, ,
v ′ v
2 ≈2 1。
若 m m 则 v ′ v v ′ m 以原速度
④ 1≪ 2, 1 =- 1, 2 =0, 1
反弹 m 不动
, 2 。
非弹性碰撞 碰撞结束后 形变部分消失 动
2) : , ,
考点 三 碰撞、反冲与爆炸
能有部分损失
。
一、碰撞 m v m v m v ′ m v ′
+ = +
1 1 2 2 1 1 2 2
1.
碰撞遵守的规律
1m v2 1m v2 1m v ′2 1m v ′2 E
动量守恒 1 1 + 2 2 = 1 1 + 2 2 +Δ k 损
1) 。 2 2 2 2
机械能不增加 即碰撞结束后总动能不增加 完全非弹性碰撞 碰撞结束后 以同一速度
2) , , 3) : ,
p2 p2 运动 形变完全保留 动能损失最大
表达式为E E E ′ E ′或 1 2 , , 。
k1 + k2≥ k1 + k2 m + m ≥ m v m v m m v
2 1 2 2 1 1 + 2 2 =( 1 + 2)
p′2 p′2
1 2 1m v2 1m v2 1 m m v2 E
5 m + m 。 1 1 + 2 2 = ( 1 + 2) +Δ k 损 max
年 2 1 2 2 2 2 2
高 速度要合理 二、反冲与爆炸
考
3)
3 1.
碰后若同向运动 原来在前的物体速度一定 反冲现象
年
① ,
模
拟 增大 且碰前v v 碰后v ′ v ′ 定义 当物体的一部分以一定的速度离开物
, 前< 后, 前 ≥ 后 。 1) :
A 两物体相向运动 碰后两物体的运动方向至 体时 剩余部分将获得一个反向动量 或速
版 ② , , (
高
考
物
理
64
度 这种现象叫作反冲运动 所以系统动量守恒
), 。 。
4.
特点 系统内各物体间的相互作用的内力远 爆炸过程的特征
2) :
大于系统受到的外力 系统动量守恒 实 动能增加 在爆炸过程中 由于有其他形式
, 。 1) : ,
例 发射炮弹 爆竹升空 发射火箭等 的能量转化为动能 所以爆炸后系统的总动
: 、 、 。 ,
规律 遵从动量守恒定律 能增加
3) : 。 。
2.
反冲过程的特征 位置不变 爆炸的时间极短 因而在作用过
2) : ,
反冲运动过程中 有其他形式的能转化为动 程中 物体产生的位移很小 一般可忽略不
, , ,
能 系统的总动能将增加 其增加的原因是 计 可以认为爆炸后仍然从作用前的位置以
, , : ,
在反冲运动中 作用力和反作用力均做正功 新的动量开始运动
, 。 。
3.
爆炸问题 由于内力远大于外力 故爆炸过程动量
3) ,
爆炸与碰撞类似 物体间的相互作用时间很 守恒
, 。
5.
短 作用力很大 且远大于系统所受的外力 爆炸 碰撞 打击等过程都可认为动量守恒
, , , 、 、 。
专
题
七
动
量
65
综合篇
拓展 一 动量守恒中的常见模型 通过对以下简化模型的计算可以粗略说明其
原因。 质量为 m、厚度为 d 的钢板静止在水
1.
子弹打木块模型、滑块与滑板模型 2 2
平光滑平面上。 质量为 m 的子弹以某一速度
子弹打木块模型 滑块与滑板模型
垂直射向该钢板,刚好能将钢板射穿。 现把钢
模型
板分成厚度均为d、质量均
图示
为 m 的两块相同钢板,间
)若子弹未射穿木块或滑块未从滑板上滑下,
1
隔一段距离水平放置,如
当两者速度相等时,木块或滑板的速度最大,
两者的相对位移(子弹射入木块的深度或滑块 图所示。 若子弹以相同的
相对滑板滑动的距离)最大(完全非弹性碰撞 速度垂直射向第一块钢板,穿出后再射向第二
拓展模型)
块钢板,求子弹射入第二块钢板的深度。 设子
)系统的动量守恒,但机械能不守恒,摩擦力与
2 弹在钢板中受到的阻力为恒力,且两块钢板不
两者相对位移的乘积等于系统减少的机械能
模型
会发生碰撞。 不计重力影响。
)根据动量守恒定律和能量守恒定律知,系统
特点 3
M 解析 设子弹初速度为 v ,射入厚度为 d 的
损失的动能 E E ,可以看出,子弹(或 0 2
Δ k=m + M k0 钢板后,最终钢板和子弹的共同速度为 v
滑块)的质量越小,木块(或滑板)的质量越
由动量守恒定律得 mv ( m m)v
大,动能损失越多 0 = 2 +
)该类问题既可以从动量、能量角度求解,相 解得 v 1v
4 =
0
当于完全非弹性碰撞模型,也可以从力和运动 3
的角度借助图像求解
此过程中动能损失 E 1mv2 1 mv2,
Δ = 0 - ×3
例1 装甲车和战舰采用多层钢板比采用同 2 2
样质量的单层钢板更能抵御穿甲弹的射击。 解得 E 1mv2;
Δ = 0
3
分成两块钢板后,设子弹穿过第一块钢板时子
弹、钢板的速度分别为 v 、v ,由动量守恒定律
1 2
得 mv mv mv 。
= +
0 1 2
因为子弹在钢板中受到的阻力为恒力,射穿第
E
一块钢板系统的动能损失为Δ
2
E
由能量守恒得1mv2 1mv2 1mv2 Δ
+ = - 1 2 0
2 2 2 2
联立以上各式,且考虑到 v v ,
1> 2
æ ö
解得 v çç 1 3 ÷÷v
1 =è + ø 0
2 6
设子弹射入第二块钢板并留在其中后两者的
共同速度为 v ,由动量守恒定律得 mv mv
3 1
=2
3
损失的动能 E′ 1mv2 1 mv2
Δ = 1 - ×2 3 2 2
æ ö E
联立解得 E′ 1 çç 3 ÷÷Δ
Δ = ×è1+ ø
2 2 2
因为子弹在钢板中受到的阻力为恒力,将
E
E′ fx 、Δ fd 代入上式,得射入第二块钢
Δ = 相 =
2
板的深度 x 1( 3)d。
相= 1+
2 2
规律总结
(
)
钢板放在光滑水平面上 ,子弹水平
1
打进钢板,系统所受的合外力为零,因此系统动量
守恒。
( )两者发生的相对位移为子弹射入的深度x 。
2 相
( )根据能量守恒定律,系统损失的动能等于系
3
统增加的内能。
( )系统产生的内能 Q fx ,即两者由于相对运
4 = 相
动而产生的热量,也是动能转化为内能的数值。
( )当子弹速度很大时,可能射穿钢板,这时末状
5
5 态子弹和钢板的速度大小不再相等,但穿透过程
年
高 中系统的动量仍守恒,系统损失的动能 E fd,d
考 Δ k=
3 为钢板的厚度。
年
模
拟
A
版
高
考
物
理
66
2. 弹簧滑块类模型
两个物体与弹簧相互作用的过程中 若系统
1) ,
所受外力的矢量和为零 则系统动量守恒
, ;
在能量方面 由于弹簧形变会使弹簧的弹性
2) ,
势能发生变化 系统的总动能将发生变化
, ;
若除了重力和系统内弹力 系统所受的外力
,
不做功 系统机械能守恒
, ;
弹簧处于最长 最短 状态时两物体速度相
3) ( )
等 弹簧的弹性势能最大 E 系统的动能
, ( pm),
最小 完全非弹性碰撞模型 m v m
( ): 1 0 =( 1 +
m v 1m v 2 1 m m v 2 E 2) 共、 1 0 = ( 1 + 2) 共 + pm
2 2
弹簧恢复原长时 弹性势能为零 系统的动
4) , ,
能最大 弹性碰撞模型 m v m v m v
( ): 1 0 = 1 1 + 2 2、
1m v 2 1m v 2 1m v 2
= + 1 0 1 1 2 2
2 2 2
例2 如图所示,在光滑水平长直轨道上,A、B
两小球之间有一处于原长的轻质弹簧,弹簧右
端与 B 球连接,左端与 A 球接触但不粘连,已
m
知 m ,m m,开始时 A、B 均静止。 在 A
A= B=2
2
球的左边有一质量为 1 m 的小球 C 以初速度
2
v 向右运动,与 A 球碰撞后粘在一起成为一个
0
复合球 D,碰撞时间极短,接着逐渐压缩弹簧
并使 B 球运动。 经过一段时间后,D 球与弹簧
分离(弹簧始终处于弹性限度内)。
( )上述过程中,弹簧的最大弹性势能是多少?
1
( )当弹簧恢复原长时,B 球的速度是多大?
2
( )若开始时在 B 球右侧某位置固定一块挡板
答案 1( 3)d 3
1+ (图中未画出),在 D 球与弹簧分离前使 B 球
2 2
与挡板发生碰撞,并在碰后立即将挡板撤走, é v v ù
ê ú
取值范围为 ê 0, 0ú 。
设 B 球与挡板碰撞时间极短,碰后 B 球速度大 ë- û
6 2
小不变,但方向相反,请求出此后弹簧的弹性 与挡板碰后(碰撞过程中无能量损失)弹簧的
势能最大值的范围。 弹性势能最大时,D、B 两球速度相等,设为 v′,
解析 ( )C 与 A 的碰撞属于完全非弹性碰 根据动量守恒定律有
1
撞,碰撞过程中有能量损失,碰后 D 球、B 球、 mv mv mv′
5
-2
6
=3
弹簧组成的系统能量守恒,机械能守恒。
v v
v 0 v v 0
设 C 与 A 相碰后速度为 v ,根据动量守恒定律 v v 5 - + 5 2 5 - v v
1 解得 v′ 5 -2 6 2 2 4 5 - 0
= = = =
有1mv mv 3 3 3 6
=
0 1 由能量守恒定律知,弹簧的最大弹性势能E ′
2
=
p
C 与 A 碰后结合为 D 球,当 D 球与 B 球速度相
mv2 m( v v )2
等时,弹簧的弹性势能最大,设此时速度为 v , 1mv 2 1 mv′2 0 4 5 - 0
1
- ×3 = -
2 2 2 8 24
根据动量守恒定律有
v mv 2
mv mv 当 v 0时,E ′最大,E ′ 0
= =
1
=3
2
5
4
p pmax
8
根据能量守恒定律有
v mv 2
当 v v 0时,E ′最小,E ′ 0
= =- =
E
pmax
=
1mv2
1
-
1
×3
mv2
2
5 3
6
p pmin
108
2 2
mv 2 mv 2
所以 0 E ′ 0 。
解得 E 1mv2 ≤ p ≤
pmax = 0 108 8
12
( )设弹簧恢复原长时,D 球速度为 v ,B 球速 解题方法含弹簧的碰撞问题 ,一般情况下均满足
2 3
度为 v ,根据动量守恒定律有 动量守恒定律(F 或 I )和机械能守恒定
外=0 外=0
4
mv mv mv 律(除重力、系统内弹力外,其他力做功为 ),此
1
=
3
+2
4
0
根据能量守恒定律有 类问题的一般解法是:
( )首先判断弹簧的初始状态是处于原长、伸长
1mv2 1mv2 1 mv2 1
1 = 3 + ×2 4 还是压缩状态。
2 2 2
v v ( )分析碰撞前、后弹簧和物体的运动状态,依据
联立解得 v 0,v 0。 2
3 =- 4 = 动量守恒定律和机械能守恒定律列出方程。
6 3
( )设 B 球与挡板相碰前瞬间 D、B 两球速度 ( )判断解出的结果是否满足“物理情境可行性
3 3
分别为 v 、v ,根据动量守恒定律有 原则”,如果不满足,则要舍掉该结果。
5 6
mv mv mv ( )求弹簧的弹性势能通常利用机械能守恒定律
1
=
5
+2
6
4
v 是 B 球与挡板碰前 D 球的速度,C 与 A 碰撞
或能量守恒定律求解。
5
( )要特别注意弹簧的三个状态:原长,此时弹簧
v 5
结合成 D 球时,D 球速度最大为 0;弹簧由原
的弹性势能为零;压缩到最短或伸长到最长的状
2
态,此时与弹簧连接的物体具有共同速度,弹簧具
长变为压缩最短,再到恢复原长时,D 球速度
有最大弹性势能。 这往往是解决此类问题的突
v
为 0,故 D 球与挡板相碰前瞬间的速度 v 的 破点。
-
5
6 专
题
七
动
量
67
( )为了保证小物块不从滑道的 D 端离开滑
答案 ( ) 1 mv 2 2
1 0 道,圆弧滑道的半径 R 至少是多大?
12
v 解析 ( )小物块冲上滑道的初速度设为 v,
( ) 0 1
2
3
则 E 1mv2,小物块最终停在 AB 的中点,跟滑
mv 2 mv 2 =
( ) 0 E ′ 0 2
3 ≤ p ≤ 道有相同的速度,设为 v′
108 8
3.
滑块与斜面体模型
在这个过程中,系统水平方向动量守恒,有
mv ( m m)v′
= 3 +
系统的动能损失用于克服摩擦力做功,有
E 1mv2 1( m m)v′2
Δ = - 3 +
滑块上升至最高点 m 与 M 具有共同水平速
2 2
1) :
度 v 共, m 竖直分速度为零 。 系统水平方向动 而 Δ E = 3fL
量守恒 mv M m v 系统机械能守恒 2
, 0 =( + ) 共; , E
联立解得摩擦力的大小 f 。
1mv2 1 M m v2 mgh 其中 h 为滑块上 = L
0 = ( + ) 共+ , 2
2 2 ( )若小物块刚好到达 D 处,此时它与滑道有
升的最大高度 不一定等于圆弧轨道的高度 2
, 共同的速度(与 v′相等,方向水平向右),小物
完全非弹性碰撞模型
( ); 块从 A 到 D 过程中系统总动能减少,转化为内
最低点 m 与 M 分离点 水平方向动量守
2) : 。 能(克服摩擦做功)和物块的重力势能,同理,
恒 v mv Mv 系统机械能守恒 1mv 2
,m 0 = 1 + 2 , 0 = 有 E 1mv2 1( m m)v′2
2 Δ 1 = - 3 +
2 2
1mv 2 1Mv 2 弹性碰撞模型 而 E fL mgR
1 + 2 ( ) Δ 1 = +
2 2
解得要使物块不从 D 端离开滑道,CD 圆弧的
例3 竖直平面内的轨道 ABCD 由水平滑道
E
AB 与光滑的四分之一圆弧滑道 CD 组成,AB 半径至少为 R 。
= mg
恰与圆弧 CD 在 C 点相切,轨道放在光滑的水 4
E E
平面上,如图所示。 一个质量为 m 的小物块 答案 ( ) ( )
1 L 2 mg
2 4
(可视为质点)从轨道的 A 端以初动能 E 冲上 4.
人船模型
水平滑道 AB,沿着轨道运动,由 DC 弧滑下后
模型特点 由两个物体组成的系统 开始时
1) : ,
停在水平滑道 AB 的中点。 已知水平滑道 AB
两物体相对静止 之后由于两物体之间相互
,
长为 L,轨道 ABCD 的质量为 m。
作用 当一物体向某方向运动时 另一物体
3
, ,
5 向相反方向运动的各种题目类型统称为 人
年 “
高 船模型 该模型属于反冲现象中的一种具
考 ”,
3 体情况
年 。
模
( )求小物块在水平滑道上受到的摩擦力的 模型解读 如图所示 长为 L 质量为 m 的
拟 1 2) : , 、 船
A 大小。 小船停在静水中 质量为 m 的人由静止开
版 , 人
高
考
物
理
68
始从船的一端走到船的另一端 不计水的 滑斜面下滑,在小物体从斜面顶端自由下滑到
,
阻力 底端的过程中,斜面体在水平面上移动的距离
。
是 ( )
以人和船组成的系统为研究对象 在人由船
mh
,
的一端走到船的另一端的过程中 由于水的 A.M m
, +
阻力忽略不计 系统水平方向不受外力作 Mh
,
B.M m
用 所以整个系统水平方向动量守恒 可得
+
, ,
mh
m v m v 因人和船组成的系统时时
船 船= 人 人。
C.(M m) α
刻刻动量守恒 故有 m x m x + tan
, 船 船= 人 人
Mh
由图可看出 x x L
船+ 人= D.(M m) α
+ tan
m m
船 人 解析 小物体与斜面体组成的系统在水平方
可解得 x L x L
人=m m , 船=m m 。
人+ 船 人+ 船 向上动量守恒,设小物体在水平方向上对地位
此模型可进一步推广到其他类似的情景中
, 移的大小为 x ,斜面体在水平方向上对地位移
例如 人沿着开始时静止在空中的热气球下 1
: 的大小为 x ,因此有 mx Mx ,而 x x
面的软梯滑下或攀上 求热气球上升或下降 2
0=
1
-
2 1
+
2
=
, h mh
,联立解得 x , 项正确。
高度的问题 小球沿放在光滑水平地面上的
; tan α 2 =(M + m) tan α C
弧形槽滑下 求弧形槽移动距离的问题 小
, ;
球从光滑圆环内侧滑下 求圆环移动距离的
,
问题等
。
解答 人船模型 问题应注意以下两点
3) “ ”
适用条件 答案
① C
.系统由两个物体组成且相互作用前静止 系
Ⅰ ,
拓展 二 应用力学三大观点解决综合问题
统总动量为零
;
1.
.在系统内发生相对运动的过程中 至少有一 力的瞬时作用和力的时间、空间积累作用
Ⅱ ,
个方向的动量守恒 如水平方向或竖直方
分类 对应规律 规律内容 公式表达
(
向
物体的加速度大
)。
画草图 解题时要画出各物体的位移关系草 小与合外力成正
② : 力的瞬 牛顿第
图 找出各位移间的关系 注意两物体的位
时作用 二定律
比,与质量成反 F
合=
ma
, ,
比,方向与合外
移是相对同一参考系的位移
。 力的方向相同
例4 如图所示,一个倾角为 α 的直角斜面体
静置于光滑水平面上,斜面体的质量为 M,顶
端高度为 h,今有一质量为 m 的小物体,沿光
专
题
七
动
量
69
续表 若研究对象为单个物体 则不能用动量观点
② ,
分类 对应规律 规律内容 公式表达 中的动量守恒定律
。
物体所受合力的 若研究对象为多物体组成的系统 且系统内
力的时间 ③ ,
动量定理 冲量等于物体动 F t p
积累作用 合 =Δ 的物体与物体间有相互作用 一般用 守恒
量的变化 , “
定律 去解决问题 但必须注意研究对象是
” ,
外力对物体所做
否满足定律的守恒条件
动能定理 功的代数和等于 W E 。
合=Δ
k 从研究过程上看
物体动能的增量 2)
凡涉及瞬间状态的分析和运动性质的分析
一个力做了多少 ① ,
fs
相对= 必须用动力学观点
功,就有多少能 。
功能关系 Q E
力的空间 从一种形式转化 =Δ 损 凡涉及复杂的直线或曲线运动问题 一般要
② ,
W E
积累作用 为其他形式 G=-Δ p 用能量观点或动量观点
。
在只有重力(或 凡涉及短暂的相互作用问题优先考虑用动
③
系统内弹力) 做
量定理
机械能 E E
功的情况下,系 k1+ p1= 。
守恒定律 E E 凡涉及碰撞 爆炸 反冲等问题 一般应用动
统机械能的总量 k2+ p2 ④ 、 、 ,
量守恒定律
保持不变 。
从所涉及的物理量看
2. 动量观点和能量观点的比较 3)
如果涉及加速度的问题 则一般要用牛顿运
① ,
)研究对象都是相互作用的物体组成的
动定律
1
。
系统
相同点 如果涉及运动时间或作用时间的问题 一般
)都是针对某一运动过程的初、末状态列式 ② ,
2 优先考虑用动量定理 F t p 其次考虑
求解 ( 合 =Δ ),
用牛顿运动定律
动量守恒定律是矢量表达式,还可以写出某 。
如果涉及运动的位移或路程的问题 一般优
不同点 一方向上的分量表达式;而动能定理和能量 ③ ,
守恒定律都是标量表达式,无分量表达式 先考虑用功能关系 其次再考虑用牛顿运动
,
定律
3.
三个基本观点的适用范围 。
如果涉及初 末速度的问题 一般优先考虑
④ 、 ,
动力学 运用牛顿运动定律及运动学规律解题,可
用动能定理 其次考虑用动量观点 最后再
的观点 处理匀变速直线运动问题 , ,
考虑用牛顿运动定律
。
运用动能定理和能量守恒定律解题,可处
能量观点 例5 如图 所示,足够长的木板 C 通过某一
理匀变速直线运动和非匀变速运动问题 1
装置锁定在水平地面上,物块 A、B 静止在木板
运用动量守恒定律解题,可处理匀变速直
动量观点 C 上,物块A、B 间距离为 . 。 开始时物块A
线运动和非匀变速运动问题 1 1 m
5 以速度 v 向右运动,物块 A 在与 B 碰
年 4. 选取三大观点解题原则 0 =6 m/s
高 撞前一段时间内的运动图像如图 所示。 已
考 2
从研究对象上看
3 1) 知物块 A、B 可视为质点,质量分别为 m
年 A =
若多个物体的运动状态不同 则一般不宜对
模
① , 、m ,A、B 与木板间的动摩擦因数相
拟 1 kg B=4 kg
多个物体整体应用牛顿运动定律
A 。 同,木板 C 的质量 m ,C 与地面间的动
版 C =1 kg
高
考
物
理
70
向向左。
摩擦因数为 1。 A 与 B 弹性碰撞过程时间极
( )碰撞后对木板 C 受力分析得
6
3
短,可忽略摩擦力的影响,A、B 碰撞瞬间木板 C
μ m g μ m g μ (m m m )g m a
B - A - A+ B+ C = C C
1 1 2
解除锁定。 重力加速度 g 2。 求: 对物块 B 进行受力分析得
=10 m/s
μ m g m a
B = B B
1
对物块 A 进行受力分析得
图 μ m g m a
1 - 1 A = A A
分析可知 C 向右做加速运动先与 B 共速,设经
时间 t 物块 B 与木板 C 达到相同的速度 v ,
1 1
则 v v a t a t ,
= B- B = C
1 1 1
解得 v . ,t . 。
1 =1 0 m/s 1 =0 2 s
图 从 A、B 碰撞结束到 B、C 速度相同,
2
( )物块与木板间的动摩擦因数。 设 B 向右的对地位移大小为 x ,
1 2
( )碰撞后瞬间物块 A 的速度。 v v
2 则 x B+ 1t . ,
( )最后停止时物块 A、B 间的距离(结果保留 2 = 1 =0 3 m
2
3
此时 A 仍向左运动,B、C 相对静止后一起向右
位小数)。
2
运动,设其加速度大小为 a,则
v
解析 ( )根据图像可知 a Δ 2,
1 A= t =5 m/s μ m g μ (m m m )g (m m )a,
Δ 1 A + 2 A+ B+ C = B+ C
对 A 进行受力分析并由牛顿第二定律有 分析可知 B、C 速度减为零后停止运动,A 继续
μ m g m a ,解得物块与木板间的动摩擦因 向左减速运动,设 B、C 一起向右运动的位移大
A = A A
1
数 μ . 。 小为 x ,
1 =0 5 3
( )设碰撞前瞬间 A 的速度为 v,则 v2 v 2 则 v2 ax
2 - 0 = 0- 1 =-2 3
a x ,x . ;由于 A、B 发生弹性碰撞,取 设 A 碰撞后到停下经过的位移大小为 x ,则
-2 A 1 1 =1 1 m 4
向右为正方向,设碰撞后 A、B 的速度分别为 v2 a x
0- A=-2 A
4
v 、v ,则 m v m v m v ,弹性碰撞能量守恒, 最后停止时物块 A、B 间的距离 x x x x
A B A = A A+ B B = + + =
2 3 4
. 。
故有1m v2 1m v 2 1m v 2, 1 37 m
A = A A + B B
答案 ( ) .
2 2 2
1 0 5
解得 v 、v 。
A=-3 m/s B=2 m/s ( ) ,方向向左
2 3 m/s
即碰撞后瞬间物块 A 的速度大小为 ,方
( ) .
3 m/s
3 1 37 m
专
题
七
动
量
71
应用篇
模型 一 应用动量定理知识解决流体问题 ρ V, V v S t,由以上两式得,单位时间内从
Δ Δ = 0 Δ
1. m
流体类“柱状模型” 喷口喷出的水的质量Δ ρv S。
t = 0
Δ
流体及 通常液体流、气体流等被广义地视为“流
( )设玩具悬停时其底板相对于喷口的高度为
其特点 体”,质量具有连续性,题中通常给出密度ρ 2
h,水从喷口喷出后到达玩具底板时的速度大
建立“柱状”模型,沿速度v的方向选取一
小为 v。 对于 t 时间内喷出的水,由能量守恒
1 段柱形流体,其横截面积为S
Δ
微元研究,作用时间 t 内的一段柱形流
Δ 定律得1( m)v2 ( m)gh 1( m)v 2
分析 2 体的长度 l v t,对应的质量 m ρSv t Δ + Δ = Δ 0
Δ = Δ Δ = Δ 2 2
步骤 应用动量定理研究这段柱状流体,建立 在 h 高度处, t 时间内喷射到玩具底板的水沿
Δ
3 方程 竖直方向的动量变化量的大小 p ( m)v
Δ = Δ
流体垂直于速度方向上任意横截面的流
设水对玩具的作用力的大小为 F,则玩具对水
4 量都相等
的作用力大小 F′ F,对水根据动量定理有
2. =
微粒类“柱状模型”
[F′ ( m)g] t p,由于 t 很小,则( m)g
+ Δ Δ =Δ Δ Δ
通常电子流、光子流、尘埃等被广义地视
很小,可忽略
微粒及
为“微粒”,质量具有独立性,题中通常给
其特点 由于玩具在空中悬停,由力的平衡条件得F Mg
出单位体积内的粒子数n =
建立“柱状”模型,沿运动的方向选取一 联立解得 h
v2
0
M2g
1 段柱形微元,柱体的横截面积为S
=
2
g-
2
ρ2v
0
2S2
微元研究,作用时间 t 内的一段柱形微 特别提示打击 、 碰撞中用动量定理时 ,若未告知
分析 Δ
元的长度 l v t,对应的体积 V
步骤 2 Δ = 0Δ Δ = 作用时间,则重力可以忽略;若告知作用时间则重
Sv t,则微元内的粒子数N nv S t
0Δ = 0 Δ 力不可忽略。
先应用动量定理研究单个粒子,建立方
3 程,再乘以N计算
例1 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 v 竖直向上喷出;玩具底部为
0
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
5 为 ρ,重力加速度大小为 g。 求:
年
高 ( )喷泉单位时间内喷出的水的质量。
考 1
3
( )玩具在空中悬停时,其底板相对于喷口的高度。
年 2
模
拟 解析 ( )设一段很短的时间 t 内,从喷口
1 Δ
A 喷出的水的体积为 V,质量为 m,则 m
版 Δ Δ Δ =
高
考
物
理
72
v2 M2g
答案 ( )ρv S ( ) 0
1 0 2 g- ρ2v 2S2
2 2 0
例2 有一宇宙飞船,它的正面面积 S 2,
=2 m
以 v 3 的相对速度飞入一宇宙微粒
=3×10 m/s
尘区。 此微粒尘区每
3
空间中有一个微粒,
1 m
每一个微粒的平均质量m -7 。 假设微
=2×10 kg
粒与飞船外壳碰撞后附着于飞船上,要使飞船
速度不变,飞船的牵引力应增加 ( )
. 3 . . -3 .
A.36×10 N B.36 N C.12×10 N D.12 N
解析 设在时间 t 内与飞船碰撞并附着于飞
船上的微粒总质量为 M,则 M vtSm。 设飞船
=
对微粒的作用力大小为 F,由动量定理知,Ft
=
Mv,联立解得 F v2Sm,代入数据得 F . 。
= =3 6 N
根据牛顿第三定律知,微粒对飞船的作用力大 v 2
正以速度 v 迎面滑来,已知 h 2 0 (g 为重力
小为 . 。 要使飞船速度不变,根据平衡条 0 = g
3 6 N
件知,飞船的牵引力应增加 . , 项正确。 加速度的大小),为了使两车不发生碰撞,当两
3 6 N B
答案 车相距适当距离时,人从甲车跳上乙车,则人
B
跳离甲车的水平速度大小(相对地面)应满足
模型 二 动量守恒中的临界模型
什么条件? (不计地面和斜坡的摩擦,车和人
1.
解决相互作用物体组成的系统的临界问题 均可视为质点)
时,应处理好下面两个方面的问题。
寻找临界状态
1)
题设情景中是否有相互作用的两物体相距
最近 恰好滑离 避免相碰和物体开始反向 解析 设向左为正方向,甲车(包括人)滑下
、 、
运动等临界状态 斜坡后速度大小为 v ,由机械能守恒定律有
。
1
挖掘临界条件
2) 1(m M)v 2 (m M)gh,解得 v gh
在与动量相关的临界问题中 临界条件常常表 1 + 1 = 1 + 1 = 2 =
, 2
现为两物体的相对速度关系与相对位移关系 v ;设人跳离甲车的水平速度大小(相对地
。 2 0
2. 三种常见类型的临界问题 面)为 v,在人跳离甲车过程中,人和甲车组成
涉及弹簧类的临界问题 的系统在水平方向上动量守恒;在人跳上乙车
1)
对于由物体和弹簧组成的系统 当弹簧被压 过程中,人和乙车组成的系统在水平方向上动
,
缩到最短或拉伸到最长时 弹簧两端的两个 量守恒。 设人跳离甲车和跳上乙车后,两车的
,
物体的速度必然相等 速度大小分别为 v 和 v ,则人跳离甲车时,有
甲 乙
。
涉及相互作用边界的临界问题 (M m )v Mv m v
2) + 1 1 = + 1 甲
在物体滑上斜面体 斜面体放在光滑水平面 人跳上乙车时,有 Mv m v (M m )v
( - 2 0 = + 2 乙
上 的过程中 由于物体间弹力的作用 斜面
) , , 解得 v v v,v 1v 1v
体在水平方向上将做加速运动 物体滑到斜
甲=6
0
-2 乙= -
0
2 2
,
当人跳到乙车上后甲车向右运动,甲车爬上斜
面上最高点的临界条件是物体与斜面体沿
坡又下来,两车不相撞的临界条件是 v v ,
水平方向具有共同的速度 物体到达斜面顶 乙≥ 甲
,
端时 在竖直方向上的分速度等于零 解得 v 11v ;
, 。
≤ 0
子弹打木块类的临界问题 子弹刚好击穿木 3
3) : 当人跳到乙车上后,甲车向左运动,则两车不
块的临界条件为子弹穿出木块时的速度与
木块的速度相同 子弹位移为木块位移与木 相撞的临界条件是 v v ,解得 v 13v 。
, 乙≥ 甲 ≥ 0
5
块厚度之和
。
例3 如图所示,甲车质量 m m,在车上有质 故 v 的取值范围为13v v 11v 。
= 0≤ ≤ 0
1 5 3
量为 M m 的人,甲车(连同车上的人)从足
=2 答案 13v v 11v
够长的斜坡上高 h 处由静止滑下,到水平地面 0≤ ≤ 0
5 3
上后继续向前滑动,此时质量 m m 的乙车
2 =2 专
题
七
动
量
73