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专题32 碰撞模型及拓展
题型一碰撞模型................................................................................................................................................2
题型二 碰撞模型拓展......................................................................................................................................5
课时精练............................................................................................................................................................9
【基础回顾】
1.碰撞
碰撞是指物体间的相互作用持续时间很短,而物体间相互作用力很大的现象。
2.特点
在碰撞现象中,一般都满足内力远大于外力,可认为相互碰撞的物体组成的系统动量守恒。
3.分类
动量是否守恒
机械能是否守恒
弹性碰撞
守恒
守恒
非弹性碰撞
守恒
有损失
完全非弹性碰撞
守恒
粘在一起,损失机械能最大
4. 弹性碰撞
发生弹性碰撞的两个物体碰撞前后动量守恒,动能守恒,若两物体质量分别为m1和m2,碰
前速度为v1,v2,碰后速度分别为v1
ˊ,v2
ˊ,则有:
m1v1+m2v2=m1v1
ˊ+m2v2
ˊ (1)
m1v1
2+
m2v2
2=
m1v1
ˊ2+
m2v2
ˊ 2 (2)
联立(1)、(2)解得:
v1
ˊ=
2
m1v1+m2v2
m1+m2
−v1
,v2
ˊ=
2
m1v1+m2v2
m1+m2
−v2
.
m2
m1
v2ˊ
v1ˊ
v2
v1
特殊情况: 若m1=m2 ,v1
ˊ= v2 ,v2
ˊ= v1 .
5. “一动一静相碰型”弹性碰撞的结论
两球发生弹性碰撞时应满足动量守恒和机械能守恒。以质量为m1、速度为v1的小球与质量
为m2的静止小球发生正面弹性碰撞为例,则有
m1v1=m1v1′+m2v2′
m1v=m1v1′2+m2v2′2
解得:v1′=,v2′=
结论:(1)当m1=m2时,v1′=0,v2′=v1(质量相等,速度交换)
(2)当m1>m2时,v1′>0,v2′>0,且v2′>v1′(大碰小,一起跑)
(3)当m1<m2时,v1′<0,v2′>0(小碰大,要反弹)
(4)当m1≥m2时,v1′=v0,v2′=2v1(极大碰极小,大不变,小加倍)
(5)当m1≤m2时,v1′=-v1,v2′=0(极小碰极大,小等速率反弹,大不变)
题型一碰撞模型
1.分析碰撞问题的三个依据
(1)动量守恒定律。
(2)动能不增加
Ek1+Ek2≥Ek1′+Ek2′
+≥+
(3)速度要合理
①同向碰撞:碰撞前后面的物体速度大;碰撞后前面的物体速度大(或相等)。
②相向碰撞:碰后两物体的运动方向不可能都不改变。
2.一动一静弹性碰撞的三种情形
动量守恒m1v0=m1v1+m2v2
机械能守恒m1v=m1v+m2v
联立解得v1=v0,v2=v0
情形一:若m1=m2,则v1=0,v2=v0,(质量相等的两个物体发生弹性碰撞后交换速度);
情形二:若m1>m2,则v1>0,v2>0(碰后两小球沿同一方向运动);
特例:当m1≫m2时,v1≈v0,v2≈2v0;
情形三:若m1<m2,则v1<0,v2>0(碰后两小球沿相反方向运动);
特例:当m1≪m2时,v1≈-v0,v2≈0。
3.静止物体被撞后的速度范围
物体A 与静止的物体B 发生碰撞,当发生完全非弹性碰撞时损失的机械能最多,物体B
的速度最小,vB=v0,当发生弹性碰撞时,物体B 速度最大,vB=v0。则碰后物体B 的速度
范围为:v0≤vB≤v0。
【例题精讲】
1.A、B 两球在光滑水平面上沿同一直线、同一方向运动,mA=1kg,mB=2kg,vA=6m/s,vB=2m/s,
当A 追上B 并发生碰撞后,A、B 两球速度的可能值是( )
A.vA′=3m/s,vB′=3.5m/s
B.vA′=2m/s,vB′=3m/s
C.vA′=5m/s,vB′=2.5m/s
D.vA′=﹣3m/s,vB′=6.5m/s
2.某物理兴趣小组乘坐了七彩云南欢乐世界的碰碰车后,设计了如下的模型研究两车碰撞过程,如图
所示,质量分别为1kg、2kg 的小车A、B 置于光滑水平面上,小车A 右端与轻质弹簧连接。现使A、
B 两车分别以6m/s、3m/s 的初速度沿同一直线向右运动(规定向右为正方向)。从小车B 与弹簧接触
到与弹簧分离的过程中,以下判断正确的是( )
A.弹簧对小车B 做功的功率一直增大
B.弹簧对小车A 冲量大小为2kg•m/s
C.某一时刻小球A、B 速度可能分别为2m/s 和7m/s
D.某一时刻小球A、B 速度可能分别为2m/s 和5m/s
3.光滑水平面上滑块A 与滑块B 在同一条直线上发生正碰,它们运动的位移x 与时间t 的关系图像如图
所示。已知滑块A 的质量为1kg,碰撞时间不计,则( )
A.滑块B 的质量为2kg,发生的碰撞是弹性碰撞
B.滑块B 的质量为2kg,发生的碰撞是非弹性碰撞
C.滑块B 的质量为3kg,发生的碰撞是弹性碰撞
D.滑块B 的质量为3kg,发生的碰撞是非弹性碰撞
4.甲、乙两铁球质量分别是m1=1kg、m2=2kg,在光滑平面上沿同一直线运动,速度分别是v1=6m/s
、v2=2m/s。甲追上乙发生正碰后两物体的速度不可能是( )
A.v1′=7m/s,v2′=1.5m/s
B.v1′=2m/s,v2′=4m/s
C.v1′=3.5m/s,v2′=3.5m/s
D.v1′=﹣2m/s,v2′=6m/s
5.如图所示,大小相同、质量分别为3m 和m 的球A 和球B 用长为L 的轻绳并排竖直悬挂,将球A 拉到
与悬挂点等高后由静止释放,在最低点与球B 发生弹性正碰,当球B 上升的高度为0.5L 时,球B 与绳
子脱离,则球B 上升到最大高度时的速度为( )
A.
❑√14 gL
2
B.
❑√14 gL
4
C.
❑√42gL
2
D.3 ❑√2gL
2
6.两小车M、N 在光滑水平面上正碰,其速度随时间变化的v﹣t 图像如图所示,碰撞时间极短。下列
说法正确的是( )
A.碰撞过程中小车M 受到的冲量较大
B.碰撞后小车M 的动量小于小车N 的动量
C.碰撞后小车M 与小车N 的动能可能相同
D.小车M 的质量大于小车N 的质量
7.两个物块a、b 用一根劲度系数k=100N/m 的轻弹簧栓接,初始时a、b 被锁定在粗糙水平桌面上,弹
簧的压缩量Δx=0.05m。a、b 的质量分别为m1=1kg、m2=3kg,与桌面间的动摩擦因数分别为μ1=
0.3、μ2=0.1。取重力加速度g=10m/s2,从解除锁定到a 达到最大速度的过程中,下列说法正确的是
( )
A.a、b 的加速度大小之比为1:3
B.弹簧的弹性势能减少了0.12J
C.a 速度最大时,其动能为0.015J
D.a 克服摩擦力做的功为0.06J
(多选)8.如图(a),轻质弹簧下端固定在光滑斜面底端,上端与物块甲相连,甲处于静止状态。现
从斜面上某位置由静止释放物块乙,运动一段距离与甲碰撞,碰撞后一起沿斜面向下运动。取乙的释
放位置为坐标原点O 建立一维坐标系,x 轴的正方向沿斜面向下。乙的动能Ek与位置坐标x 的关系如
图(b)所示,图像中0~x1之间为直线,其余部分为曲线且在x=x2处切线斜率为0。甲、乙均可视为
质点,弹簧始终处于弹性限度内,不计空气阻力,下列说法正确的是( )
A.甲、乙质量之比为2:1
B.甲、乙碰撞后在x=x2位置加速度最大
C.位置坐标满足关系x2= x1+ x3
2
D.弹簧的劲度系数k=
E
x1( x2−x1)
(多选)9.A、B 两球在光滑水平面上,沿同一直线同一方向运动,A 球的动量为pA=4kg•m/s,B 球
的动量为pB=6kg•m/s。当A 球追上B 球时发生碰撞,则碰撞后A、B 两球的动量可能值是( )
A.pA′=5kg•m/s,pB′=5kg•m/s
B.pA′=2kg•m/s,pB′=8kg•m/s
C.pA′=﹣2kg•m/s,pB′=12kg•m/s
D.pA′=﹣4kg•m/s,pB′=14kg•m/s
(多选)10.如图所示的玩弹珠游戏中,弹珠甲以一定的速度和完全相同的静止的弹珠乙在粗糙的水平
面上发生正碰,碰撞前、后两弹珠的运动轨迹始终在同一水平直线上,不计空气阻力,碰撞时间极短
可不计。已知从开始碰撞到两弹珠都停下来的过程中,弹珠乙的位移是弹珠甲位移的k 倍,则下列说
法正确的是( )
A.碰撞完成后,弹珠甲可能反弹回去
B.k≥1
C.k 值越大,两弹珠碰撞过程中损失的机械能越大
D.k 值越大,两弹珠碰撞过程中损失的机械能越小
题型二 碰撞模型拓展
碰撞模型拓展
“滑块—斜(曲)面”模型
“滑块—弹簧”模型
情
景
示
例
情
景
示
例
模
型
特
点
(1)上升到最大高度:滑块m 与斜(曲)面M
具有共同水平速度v 共,此时滑块m 的竖
直速度vy=0。系统水平方向动量守恒,
mv0=(M+m)v 共;系统机械能守恒,1
2m
v0
2=1
2(M+m)v共
2+mgh,其中h 为滑块
上升的最大高度,不一定等于轨道的高度
(相当于完全非弹性碰撞,系统减少的动
能转化为滑块m 的重力势能)。
(2)返回最低点:滑块m 与斜(曲)面M 分
离点。系统水平方向动量守恒,mv0=mv1
+Mv2;系统机械能守恒,1
2mv0
2=1
2m
v1
2+1
2Mv2
2(相当于弹性碰撞)。
模
型
特
点
(1)动量守恒:两个物体与弹簧相互作用
的过程中,若系统所受外力的矢量和为
零,则系统动量守恒。
(2)机械能守恒:系统所受的外力的矢量
和为零或除弹簧弹力以外的内力不做功,
系统机械能守恒。
(3)弹簧处于最长(最短)状态时两物体速度
相等,弹性势能最大,系统动能通常最小
(相当于完全非弹性碰撞,两物体减少的
动能转化为弹簧的弹性势能)。
(4)弹簧恢复原长时,弹性势能为零,系
统动能最大(相当于刚完成弹性碰撞)。
【例题精讲】
1.如图所示,固定在水平面上的竖直轻弹簧上端与质量为M 的物块A 相连,静止时物块A 位于P 处,
另有一质量为m 的物块B,从A 的正上方Q 处自由下落,与A 发生碰撞后(A、B 不粘连)立即具有
相同的速度,然后A、B 一起向下运动,将弹簧继续压缩后,物块A、B 被反弹,反弹后A、B 会分开。
不计空气阻力,下面几个结论正确的是( )
A.A、B 从P 处下降至最低点的过程中,速度一直减小
B.A、B 一起向下运动过程中,A、B 均处于超重状态
C.A、B 反弹过程中,在P 处物块A 速度最大
D.A、B 反弹过程中,在弹簧处于原长状态时物块B 与A 分离
2.如图甲所示,左端接有轻弹簧的物块A 静止在光滑水平面上,物块B 以某一初速度向A 运动,t=0
时B 与弹簧接触,0~2s 内两物块的速度v 随时间t 变化的图像如图乙所示。下列说法正确的是
( )
A.A 的质量比B 的质量大
B.0﹣1s 内,弹簧对A、B 的冲量相同
C.0~2s 内,A 和B 的位移相等
D.t=2s 时,A 的动量比B 的动量大
3.如图,一质量为M=1kg 的滑块静置在水平面上,滑块的曲面是半径为R=0.4m 的四分之一圆弧,圆
弧最低点切线沿水平方向。一质量为m=2kg 小球以水平向右的初速度v0=6m/s 从圆弧最低点冲上滑
块开始计时,假设经过t=0.1s 小球从圆弧最高点冲出滑块,不计一切摩擦,重力加速度为g 取
10m/s2。则小球从最低点冲上滑块到刚落回滑块的过程中,滑块的位移是( )
A.1.63m
B.1.73m
C.1.83m
D.1.93m
4.如图所示,小车静止在光滑水平面上,AB 是小车内半圆弧轨道的水平直径,现将一质量为m 的小球
从距A 点正上方R 处由静止释放,小球由A 点沿切线方向进入半圆轨道后又从B 点冲出,已知半圆弧
半径为R,小车质量是小球质量的k 倍,不计一切摩擦,则下列说法正确的是( )
A.在相互作用过程中小球和小车组成的系统动量守恒
B.小球从小车的B 点冲出后,不能上升到刚释放时的高度
C.整个过程中小球和小车的机械能守恒
D.小球从滑入轨道至圆弧轨道的最低点时小球的位移大小k
k +1 R
5.如图所示,总质量为M 的轨道ABC 置于光滑水平面上,由粗糙水平轨道AB 和竖直面内四分之一光
滑圆弧轨道BC 组成,AB 恰与BC 在B 点相切。一个质量为m 的小物块从轨道的A 端以初速度v0向右
冲上水平轨道,到达圆弧轨道上某位置后,沿轨道返回。则( )
A.物块在AB 上运动时,轨道与物块组成的系统机械能守恒
B.物块在轨道ABC 上滑动全过程中,轨道与物块组成的系统总动量始终保持不变
C.物块在BC 上运动过程中,轨道的动量不断减小
D.当物块相对轨道静止时,速度变为mv0
M +m
6.如图所示,物体A 与光滑半圆弧槽B 静止在光滑水平面上,槽底端放有小球C。现给A 一个水平向
右的初速度,A 与B 发生弹性碰撞(碰撞时间极短),小球C 能脱离圆弧槽向上运动,已知A、B、C
质量相等,不计空气阻力,则( )
A.A 与B 碰撞后,A 的速度向左
B.球脱离圆弧槽后,将不会再掉落在槽内
C.球第一次回到槽内最低点时,槽的速度为零
D.圆弧槽在水平地面上做往复运动
7.如图所示,在光滑水平面上静止放置一个弧形槽,其光滑弧面底部与水平面相切,将一小滑块从弧
形槽上的A 点由静止释放。已知小滑块与轻弹簧碰撞无能量损失,弧形槽质量小于小滑块质量,则(
)
A.小滑块能追上弧形槽,但不能到达弧形槽上的A 点
B.下滑过程中,小滑块所受重力的功率一直增大
C.小滑块弹回后不能追上弧形槽
D.从滑块释放到再次追上弧形槽的过程中,弧形槽与滑块组成的系统水平方向动量守恒
(多选)8.如图所示,带1
4
圆弧轨道的滑块置于粗糙水平面上,圆弧光滑,一质量为m 的小球从顶端
A 点静止释放沿圆弧运动到C 点,C 点切线水平,滑块由于受到地面的摩擦力始终保持静止状态,O
为圆心,C 为圆弧的最低点,圆弧半径为R,重力加速度为g,关于该过程,下列说法正确的是
( )
A.滑块对地面的压力不变
B.小球所受重力的最大功率为2
3 mg ❑√
❑√3 gR
C.地面摩擦力的最大值为1.5mg
D.若地面光滑,滑块的质量也为m,则小球与滑块分离时的速度大小为
❑√gR
2
(多选)9.如图所示,静置在光滑的水平面上的A、B 为两个完全相同的1
4
圆弧槽,圆弧槽的半径为
R,两槽的最低点均与水平面相切,初始时两槽的最低点均位于P 点,B 槽固定在水平面上。现将质量
为m 的小球C(可视为质点)从A 槽上端点a 的正上方3
2 R处由静止释放,小球C 从a 点落入A 槽内,
一段时间后从P 点滑上B 槽,A 槽的质量为4m,重力加速度大小为g,不计一切摩擦,忽略空气阻力。
则( )
A.小球C 第一次从A 槽最低点滑出时,小球C 到P 点的距离为4
5 R
B.小球C 经过B 槽上端点b 时,B 槽对C 的弹力大小为2mg
C.小球C 经过b 点的次数为2 次
D.小球C 最终的速度大小为
❑√gR
5
(多选)10.如图所示,质量为m 的半圆轨道小车静止在光滑的水平地面上,其水平直径AB 长度为
2R,现将质量也为m 的小球从距A 点正上方h0高处由静止释放,然后由A 点经过半圆轨道后从B 点
冲出,在空中能上升到距B 点所在水平线的最大高度为3
4 h0。不计空气阻力,小球可视为质点,则下
列说法正确的是( )
A.小球和小车组成的系统动量守恒
B.小球离开小车后做竖直上抛运动
C.小车向左运动的最大距离为2R
D.小球第二次在空中能上升到距B 点所在水平线的最大高度大于h0
2
课时精练
一.选择题
1.在光滑的水平面上有A、B、C 三个完全相同的小钢球,三个球处在同一条直线上,其中C 球左侧带
有双面胶贴,开始时B、C 两球静止,现A 以6m/s 的速度与B 发生弹性碰撞,然后B 与C 球发生正碰
后粘在一起,则B 与C 球碰撞后的速度大小为( )
A.3m/s
B.4m/s
C.5m/s
D.6m/s
2.如图所示,在光滑水平面上,一个质量为m、速度大小为v 的A 球与质量为2m、静止的B 球发生弹
性碰撞后,A 球的速度大小是( )
A.v
2
B.v
C.v
3
D.2
3
v
3.A、B 两球沿一直线运动并发生正碰。如图所示,a、b 分别为A、B 两球碰前的位移随时间变化的图
像,c 为碰撞后两球共同运动的位移随时间变化的图像,若A 球质量是2kg,则( )
A.A、B 两球碰撞为弹性碰撞
B.A 球质量有可能小于B 球质量
C.A、B 两球碰撞前的总动量为−26
3
kg•m/s
D.碰撞过程中A、B 两球组成的系统损失的动能为10J
4.如图所示,质量均为m 的物体A、B 在光滑水平地面上,B 左端连接一轻弹簧且处于静止状态。现A
以速度v 向右运动,在A、B 相互作用的整个过程中,下列说法正确的是( )
A.A 的动量最小值为1
2 mv
B.A 的动量变化量为2mv
C.弹簧弹性势能的最大值为1
2 mv
2
D.B 的动能最大值为1
2 m v
2
5.如图所示,A 为一上表面为光滑曲面的轨道,固定在水平地面上,轨道末端水平,质量M=30kg 的
平板小车B 静止于轨道右侧的水平地面上,其板面左端与轨道末端接触但不粘连,且板面与轨道末端
在同一水平面上,一个质量为m=10kg 的物体C(可视为质点)从轨道顶端由静止滑下,冲上小车B
一段时间后与小车相对静止并一起向右运动。若轨道顶端与末端的高度差h=0.8m,物体与小车板面
间的动摩擦因数μ=0.4,小车与水平地面间的摩擦忽略不计,g 取10m/s2,则物体与小车保持相对静
止时的速度大小和物体冲上小车后相对于小车板面滑动的距离分别为( )
A.2m/s,1.5m
B.2m/s,2.5m
C.1m/s,1.5m
D.1m/s,2.5m
6.如图所示,在A、B 两物体间有一与物体不连接的轻质弹簧,两物体用轻细线连接在一起并使弹簧
处于压缩状态,整体静止在光滑水平面上。现将细线烧断,对于在弹簧对两物体施加作用力的整个过
程中,下列说法中正确的是( )
A.对于A、B 两物体组成的系统,动量守恒
B.对于A、B 两物体组成的系统,机械能守恒
C.在同一段时间内,A 物体的动能增量等于B 物体的动能增量
D.在同一段时间内,A 物体的动量变化与B 物体的动量变化相同
7.如图(a),质量分别为mA、mB的A、B 两物体用轻弹簧连接构成一个系统,外力F 作用在A 上,
系统静止在光滑水平面上(B 靠墙面),此时弹簧形变量为x。撤去外力并开始计时,A、B 两物体运
动的a﹣t 图像如图(b)所示,S1表示0 到t1时间内A 的a﹣t 图线与坐标轴所围面积大小,S2、S3分别
表示t1到t2时间内A、B 的图线与坐标轴所围面积大小。下列说法正确的是( )
A.0 到t1时间内,墙对B 的冲量为0
B.B 运动后,弹簧的最大形变量等于x
C.S1=S2+S3
D.mA:mB=S2:S3
二.多选题
(多选)8.两个相同的小球A、B 在光滑的水平地面上相向运动,已知A 的速度vA=4m/s(设为正),
B 的速度vB=﹣3m/s,则它们发生正碰后,A、B 两球速度可能分别为( )
A.﹣2m/s 和+3m/s
B.+2m/s 和﹣1m/s
C.均为+0.5m/s
D.+0.6m/s 和+0.4m/s
(多选)9.如图甲所示,在光滑水平面上的两个小球发生正碰,小球的质量分别为m1和m2。图乙为它
们碰撞前后的s﹣t 图像。已知m1=0.2kg,由此可得下列说法正确的是( )
A.碰后m1做匀减速运动,m2做匀加速运动
B.碰前m2静止,m1向右运动
C.m2=0.4kg
D.碰撞过程是完全弹性碰撞
(多选)10.如图所示,半径分别为R 和r = R
2
的两光滑圆轨道安置在同一竖直平面内,两轨道之间由
一条光滑水平轨道CD 相连,在水平轨道CD 上有一轻弹簧被a、b 两小球夹住,同时释放两小球,a、
b 球都恰好能通过各自圆轨道的最高点,已知a 球的质量为m,重力加速度为g,则( )
A.b 球的质量mb= ❑√2m
B.两小球与弹簧分离时,动能不相等
C.a 球到达圆心等高处时,对轨道压力大小为2mg
D.若mb=m,要求a、b 球都能通过各自圆轨道的最高点,弹簧释放前至少应具有的弹性势能为Ep=
5mgR
三.解答题
11.如图所示,半径为R=1m 的光滑圆弧轨道固定在竖直平面内,轨道端点B 和圆心O 的连线与水平方
向的夹角θ=37°,端点C 为轨道的最低点,C 点右侧的光滑水平地面上紧挨着C 放置一静止的足够长
的木板,木板质量M=1kg,上表面与C 点等高。质量为m=1kg 的物块(可视为质点)从空中A 点以
v0=1.2m/s 的速度水平抛出(不计空气阻力),物块恰好能从轨道的B 端沿切线方向进入轨道,已知
物块和木板的动摩擦因数μ=0.5,sin37°=0.6。求:
(1)物块运动到B 点时的速度大小vB;
(2)物块经过C 点时,圆弧轨道对其支持力的大小FN;
(3)经过足够长的时间,物块对木板做的功W。
12.如图所示,在光滑水平面上静止放置质量m1=0.4kg 的薄木板AB(厚度忽略不计)和质量m2=
0.2kg 的圆弧轨道CD,木板AB 上表面粗糙,CD 是上表面光滑的半径为R=0.5m 的四分之一圆弧,它
们紧靠在一起。一质量为m=0.2kg 可视为质点的物块P,从木板AB 的右端以初速度v0=5m/s 滑上木
板,到达木板最左端B 点时的速度为vA′=﹣1m/s,然后又滑上圆弧轨道CD。若物块P 与木板AB 间
的动摩擦因数为μ=0.45,取g=10m/s2求:
(1)物块P 滑到木板左端时,木板的速度vAB的大小;
(2)木板的长度L;
(3)滑块在圆弧轨道CD 上上升的最大高度h。
13.如图所示,光滑斜轨道PO 和粗糙水平轨道ON 平滑连接,水平轨道上的O、C 两点相距sOC=1m,
固定挡板MN 到O 点的距离为sON=3m。小物块B 静止在O 点,现将小物块A 从斜轨道上高h=0.8m
处由静止释放,A 下滑后与B 发生完全弹性碰撞,碰后B 向右运动与挡板MN 碰撞后等速率反弹(碰
撞时间极短可忽略),之后两物块在C 点发生第二次碰撞。已知A、B 的质量比mA
mB
=3,两物块与轨
道ON 段之间的动摩擦因数相同。A、B 均可视为质点,取重力加速度g=10m/s2。求:
(1)第一次碰撞结束瞬间A、B 的速度大小;
(2)A、B 第一次碰撞结束到第二次碰撞经历的时间t 以及两物块与轨道ON 段之间的动摩擦因数μ。