06动量考点例析(2)

2018-12-17 10:37

全过程对系统用动量定理可得:

?M?m?a?V0?g?MV/??M?m?V0,?V/??M?m??a??g?V?Mg0

注意:这种方法只能用在拖车停下之前。因为拖车停下后,系统受的合外力中少了拖车受到的摩擦力,因此合外力大小不再是?M?m?a。

例11、如图4所示,矩形盒B的质量为M,放在水平面上,盒内有一质量为m的物体A,A与B、B与地面间的动摩擦因数分别μ1、μ2,开始时二者均静止。现瞬间使物体A获取一向右且与矩形盒B左、右侧壁垂直的水平速度V0,以后物体A在盒B的左右壁碰撞时,B始终向右运动。当A与B最后一次碰撞后,B停止运动,A则继续向右滑行距离S后也停止运动,求盒B运动的时间t。

A V0 B 分析与解:以物体A、盒B组成的系统为研究对象,它们在水平方

向所受的外力就是地面盒B的滑动摩擦力,而A与B间的摩擦力、A与B碰撞时的相互作用力均是内力。设B停止运动时A的速度为V,且

图4

假设向右为正方向,由系统的动量定理得:

??2(m?M)gt?mV?mV0

当B停止运动后,对A应用动能定理得:?1mgS??1mV2 2由以上二式联立解得:t?mV0?m2?1gS?2(M?m)g。

问题4:能根据动量守恒条件判定系统的动量是否守恒?

例12、如图5所示的装置中,木块B与水平桌面间的接触是光滑的,子弹A沿水平方向射入木块后留在木块内,将弹簧压缩到最短.现将子弹、木块和弹簧合在一起作为研究对象(系统),则此系统在从子弹开始射入木块到弹簧压缩至最短的整个过程中:

A、动量守恒、机械能守恒

B、动量不守恒、机械能不守恒 C、动量守恒、机械能不守恒

图5 D、动量不守恒、机械能守恒

分析与解:若以子弹、木块和弹簧合在一起作为研究对象(系统),从子弹开始射入木块到弹簧压缩至最短时,弹簧固定端墙壁对弹簧有外力作用,因此动量不守恒.而在子弹射入木块时,存在剧烈摩擦作用,有一部分能量将转化为内能,机械能也不守恒.实际上,在子弹射入木块这一瞬间过程,取子弹与木块为系统则可认为动量守恒(此瞬间弹簧尚未形变).子弹射入木块后木块压缩弹簧过程中,机械能守恒,但动量不守恒.物理规律总是在一定条件得出的,因此在分析问题时,不但要弄清取谁作研究对象,还要弄清过程的阶段的选取,判断各阶段满足物理规律的条件.

例13、质量为M的小车中挂有一个单摆,摆球的质量为M0,小车和单摆以恒定的速度V0沿水平地面运动,与位于正对面的质量为M1的静止木块发生碰撞,碰撞时间极短,在此过程中,下列哪些说法是可能发生的( )

A.小车、木块、摆球的速度都发生变化,分别为V1、V2和V3,且满足:

(M+M0)V0=MV1+M1V2+M0V3;

B.摆球的速度不变,小车和木块的速度为V1、V2,且满足:MV0=MV1+M1V2; C.摆球的速度不变,小车和木块的速度都为V,且满足:MV0=(M+M1)V; D.小车和摆球的速度都变为V1,木块的速度变为V2,且满足:

(M+M0)V0=(M+M0)V1+M1V2

分析与解:小车与木块相碰,随之发生的将有两个过程:其一是,小车与木块相碰,作用时间极短,过程结束时小车与木块速度发生了变化,而小球的速度未变;其二是,摆球将要相对于车向右摆动,又导致小车与木块速度的改变。但是题目中已明确指出只需讨论碰撞的极短过程,不需考虑第二过程。因此,我们只需分析B、C两项。其实,小车与木块相碰后,将可能会出现两种情况,即碰撞后小车与木块合二为一或它们碰后又分开,前者正是C项所描述的,后者正是B项所描述的,所以B、C两项正确。

问题5:能根据动量守恒定律求解“合二为一”和“一分为二”问题。

“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。 “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各自以不同的速度运动。

例14、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

M?M220V?1V1??6m/s?1.5m/s

M1?M280

(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N??P225??15(个) ?P115例15、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M:m?31:2)

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=

m(2n-1)V , M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。 问题6:会用动量守恒定律解“人船模型”问题

两个物体均处于静止,当两个物体存在相互作用而不受外力作用时,系统动量守恒。这类问题的特点:两物体同时运动,同时停止。

例16、载人气球原静止于高h的高空,气球质量为M,人的质量为m,若人沿绳梯滑至地面,则绳梯至少为多长?

分析与解:气球和人原静止于空中,说明系统所受合力为零,故人下滑过程中系统动量守恒。人着地时,绳梯至少应触及地面,若设绳梯长为L,人沿绳梯滑至地面的时间为t,

M由动量守恒定律有:

L?hhM?m?m,解得L?h。 ttMdmM例17、如图7所示,质量为M的车静止在光滑水平面上,车右侧内壁固定有发射装置。车左侧内壁固定有沙袋。发射器口到沙袋的距离为d,把质量为m的弹丸最终射入沙袋中,这一过程中车移动的距离是_______。

图7

分析与解:本题可把子弹看作“人”,把车看作“船”,这样就可以用“人船模型”来求解.

mmdS1S?M2?0,S1?S2?d,解得S2?。

m?Mtt例18、质量为M、长为L的船静止在静水中,船头及船尾各站着质量分别为m1及m2

的人,当两人互换位置后,船的位移有多大?

分析与解:利用“人船模型”易求得船的位移大小为:S?(m1?m2)L.提示:若

M?m1?m2m1>m2,本题可把(m1-m2)等效为一个人,把(M+2m2)看着船,再利用人船模型进行分析求解较简便。

问题7:会分析求解“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19、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8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。

分析与解:本题是一个“三体二次作用”问题:

B A C 图8

“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:

mBV0?(mB?mC)VBC (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+(mB?mC)VBC?(mA?mB?mC)V (2)

EP?1112mAV02?(mB?mC)VBC?(mA?mB?mC)V2 (3) 222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。

例20、如图9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?。

分析与解:设第3块木块的初速度为V0,对于3、2V0 两木块的系统,设碰撞后的速度为V1,据动量守恒定律

3 1 得:mV0=2mV1 ○

对于3、2整体与1组成的系统,设共同速度为V2,

图9

则据动量守恒定律得:

2 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:

?mgL?1 2 113 .2m.V12?.3m.V23 ○

221○2○3联立方程得:Ek3=6μmgL ○4 由○

(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:

5 ?mg(1.5L)?.2m.V12?.3m.V23 ○1○2○5联立方程得:Ek3=9μmgL 由○

1212故:6?mgL?Ek3?9?mgL

问题8、会分析求解“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21、如图10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:

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=

M m 1MV02,所以V0=2gh。 2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=

图10

MV0

M?m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:

1M2gh2(M+m)gS-fS=0-(M?m)V,所以f=(M+m)g+.

2(M?m)S例22、如图11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。

V0 A 2V0 B C 分析与解:(1)木块A先做匀减速直线运图11

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:

mV0?2mV0?(m?m?3m)V1

解得:V1=0.6V0

对木块B运用动能定理,有:

??mgs?2112mV1?m(2V0)2 22解得:s?91V0/(50?g)

(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:a1??mg/m??g, 对木板C:a2?2?mg/3m?2?g/3,

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:


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