(新高考)高考物理一轮复习讲义第7章 第2讲 动量守恒定律及应用(含解析)

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以下为本文档部分文字说明:

第2讲动量守恒定律及应用目标要求1.理解系统动量守恒的条件.2.会应用动量守恒定律解决基本问题.3.会分析、解决动量守恒定律的临界问题.考点一动量守恒定律的理解和基本应用基础回扣1.内容如果一个系统不受外力,或者所受外力的矢量和为0,这个系统的总动量保

持不变.2.表达式(1)p=p′或m1v1+m2v2=m1v1′+m2v2′.系统相互作用前的总动量等于相互作用后的总动量.(2)Δp1=-Δp2,相互作用的两个物体动量的变化量等大反向.3.适用条件(1)理想守恒:不受外力或所受外力的合力为零.(2)近似守恒:系统内各物体间相互作

用的内力远大于它所受到的外力.(3)某一方向守恒:如果系统在某一方向上所受外力的合力为零,则系统在这一方向上动量守恒.技巧点拨应用动量守恒定律解题的步骤(1)明确研究对象,确定系统的组成(系统包括哪几

个物体及研究的过程).(2)进行受力分析,判断系统动量是否守恒(或某一方向上是否守恒).(3)规定正方向,确定初、末状态动量.(4)由动量守恒定律列出方程.(5)代入数据,求出结果,必要时讨论说明.动量守恒条件的理解例1(多选)在光滑水平面上,A、B两小车中间有一轻

弹簧(弹簧不与小车相连),如图1所示,用手抓住小车并将弹簧压缩后使小车处于静止状态,将小车及弹簧看成一个系统,下列说法中正确的是()图1A.两手同时放开后,系统总动量始终为零B.先放开左手,再放开右手后,动量不守恒C.先放开左手,后放开右手,总动量向左D.无论何时放手,两手放开后,系统总动量都

保持不变答案ACD解析若两手同时放开A、B两小车,系统所受合外力为零,系统动量守恒,由于系统初动量为零,则系统总动量为零,故A正确;先放开左手,系统所受合外力向左,系统所受合外力的冲量向左,再放开右手,系统总动量向左,故C正确;无论何时放手,两手放开后,系统所受合外力为零,系统动量守恒,系统总动

量保持不变,如果同时放手,系统总动量为零,如果不同时放手,系统总动量不为零,故B错误,D正确.动量守恒定律的基本应用例2(2020·全国卷Ⅲ·15)甲、乙两个物块在光滑水平桌面上沿同一直线运动,甲追上乙,并与乙发生碰撞,碰撞前后甲、乙的速度随时间的变化如图2中实线所示.已知甲的质量为1kg,则碰撞

过程两物块损失的机械能为()图2A.3JB.4JC.5JD.6J答案A解析根据题图图象,碰撞前甲、乙的速度分别为v甲=5.0m/s,v乙=1.0m/s,碰撞后甲、乙的速度分别为v甲′=-1.0m/s,v乙′=2.0m/s,碰撞过程

由动量守恒定律得m甲v甲+m乙v乙=m甲v甲′+m乙v乙′,解得m乙=6kg,碰撞过程损失的机械能ΔE=12m甲v甲2+12m乙v乙2-12m甲v甲′2-12m乙v乙′2,解得ΔE=3J,故选A.1.(

某一方向上动量守恒)如图3所示,将一光滑的半圆槽置于光滑水平面上,槽的左侧紧靠在墙壁上.现让一小球自左侧槽口A的正上方从静止开始落下,与圆弧槽相切自A点进入槽内,则下列结论中正确的是()图3A.小球在半圆槽内运动的全过程中,只有重力对它做功B.小球在半圆槽内运动的全过程

中,小球与半圆槽在水平方向动量守恒C.小球自半圆槽B点向C点运动的过程中,小球与半圆槽在水平方向动量守恒D.小球离开C点以后,将做竖直上抛运动答案C解析小球下滑到半圆槽的最低点B之后,半圆槽离开墙壁,除了重力外,槽对小球的弹力对小球做功,选项A错误;

小球下滑到半圆槽的最低点B之前,小球与半圆槽组成的系统水平方向上受到墙壁的弹力作用,系统所受的外力不为零,系统水平方向上动量不守恒,半圆槽离开墙壁后,小球与半圆槽在水平方向动量守恒,选项B错误,C正确;半圆槽离开墙壁后小球对槽的压力对槽做功,小球与半圆槽具有向右的水平速度,所以小

球离开右侧槽口以后,将做斜上抛运动,选项D错误.2.(动量守恒定律的基本应用)(多选)如图4所示,一质量M=3.0kg的长方形木板B放在光滑水平地面上,在其右端放一个质量m=1.0kg的小木块A,同时给A和B以大小均

为4.0m/s,方向相反的初速度,使A开始向左运动,B开始向右运动,A始终没有滑离B板,在小木块A做加速运动的时间内,木板速度大小可能是()图4A.2.1m/sB.2.4m/sC.2.8m/sD.3.

0m/s答案AB解析以A、B组成的系统为研究对象,系统动量守恒,取水平向右为正方向,从A开始运动到A的速度为零过程中,由动量守恒定律得(M-m)v=MvB1,代入数据解得vB1≈2.67m/s.当从开始到A、B速度相同的过程中,由动量守恒定律得(M-m)v=(M+m)

vB2,代入数据解得vB2=2m/s,则在木块A做加速运动的时间内,B的速度大小范围为2m/s<vB<2.67m/s,故选项A、B正确.3.(动量守恒定律与图象结合)(多选)(2019·山东青岛市模拟)某研究小组通过实验测得两滑块碰撞前后运动的实验数据,得到如图5所示的位移—时间图象.图中的线段

a、b、c分别表示沿光滑水平面上同一条直线运动的滑块Ⅰ、Ⅱ和它们发生正碰后结合体的位移随时间变化关系.已知相互作用时间极短,由图象给出的信息可知()图5A.碰前滑块Ⅰ与滑块Ⅱ速度大小之比为5∶2B.碰前滑块Ⅰ的动量大小比滑块Ⅱ的动量大小大C.碰前滑块Ⅰ的动能比滑块Ⅱ的

动能小D.滑块Ⅰ的质量是滑块Ⅱ的质量的16答案AD解析根据x-t图象的斜率表示速度,可知碰前滑块Ⅰ速度为v1=-2m/s,滑块Ⅱ的速度为v2=0.8m/s,则碰前速度大小之比为5∶2,故选项A正确;碰撞后的共同速度为v=0

.4m/s,根据动量守恒定律,有m1v1+m2v2=(m1+m2)v,解得m2=6m1,由动量的表达式可知|m1v1|<m2v2,由动能的表达式可知,12m1v12>12m2v22,故选项B、C错误,D正确.

考点二动量守恒定律的临界问题1.当小物块到达最高点时,两物体速度相同.2.弹簧最短或最长时,两物体速度相同,此时弹簧弹性势能最大.3.两物体刚好不相撞,两物体速度相同.4.滑块恰好不滑出长木板,滑块滑到长木板

末端时与长木板速度相同.例3(多选)(2020·全国卷Ⅱ·21)水平冰面上有一固定的竖直挡板,一滑冰运动员面对挡板静止在冰面上,他把一质量为4.0kg的静止物块以大小为5.0m/s的速度沿与挡板垂直的

方向推向挡板,运动员获得退行速度;物块与挡板弹性碰撞,速度反向,追上运动员时,运动员又把物块推向挡板,使其再一次以大小为5.0m/s的速度与挡板弹性碰撞.总共经过8次这样推物块后,运动员退行速度的大小大于5.0m/s,反弹的物块不能再追上运动员.不计冰面的摩擦力,该运动员的质量可能为()A.48k

gB.53kgC.58kgD.63kg答案BC解析设运动员的质量为M,第一次推物块后,运动员速度大小为v1,第二次推物块后,运动员速度大小为v2……第八次推物块后,运动员速度大小为v8,第一次推物块后,由动量守恒定律知:M

v1=mv0;第二次推物块后由动量守恒定律知:M(v2-v1)=m[v0-(-v0)]=2mv0,……,第n次推物块后,由动量守恒定律知:M(vn-vn-1)=2mv0,整理得vn=2n-1mv0M,则v7=260kg·m/sM,v8=300kg

·m/sM.由题意知,v7<5m/s,则M>52kg,又知v8>5m/s,则M<60kg,故选B、C.例4(2016·全国卷Ⅱ·35(2))如图6,光滑冰面上静止放置一表面光滑的斜面体,斜面体右侧一蹲在滑板上的

小孩和其面前的冰块均静止于冰面上.某时刻小孩将冰块以相对冰面3m/s的速度向斜面体推出,冰块平滑地滑上斜面体,在斜面体上上升的最大高度为h=0.3m(h小于斜面体的高度).已知小孩与滑板的总质量为m1=30k

g,冰块的质量为m2=10kg,小孩与滑板始终无相对运动.取重力加速度的大小g=10m/s2.图6(1)求斜面体的质量;(2)通过计算判断,冰块与斜面体分离后能否追上小孩?答案(1)20kg(2)不能,理由见解析解析(1)规定向左为正方向.冰块在斜面体

上上升到最大高度时两者达到共同速度,设此共同速度为v,斜面体的质量为m3.对冰块与斜面体,由水平方向动量守恒和机械能守恒定律得m2v0=(m2+m3)v①12m2v02=12(m2+m3)v2+m2gh

②式中v0=3m/s为冰块推出时的速度,联立①②式并代入题给数据得v=1m/s,m3=20kg③(2)设小孩推出冰块后的速度为v1,对小孩与冰块,由动量守恒定律有m1v1+m2v0=0④代入数据得v1=-1m/s⑤设

冰块与斜面体分离后的速度分别为v2和v3,对冰块与斜面体,由动量守恒和机械能守恒定律有m2v0=m2v2+m3v3⑥12m2v02=12m2v22+12m3v32⑦联立③⑥⑦式并代入数据得v2=-1m/s⑧由于冰块与斜面体分离后的速度与小孩推出冰块后

的速度相同且冰块处在后方,故冰块不能追上小孩.4.(临界问题)(2019·江西上饶市重点中学六校高三第二次联考)如图7所示,光滑悬空轨道上静止一质量为3m的小车A,用一段不可伸长的轻质细绳悬挂一质量为2m的木块B.一质量为m的子弹以水平速度v0射入木块(时间极短),在

以后的运动过程中,细绳离开竖直方向的最大角度小于90°,试求:(不计空气阻力,重力加速度为g)图7(1)子弹射入木块B时产生的热量;(2)木块B能摆起的最大高度;(3)小车A运动过程的最大速度大小.答案(1)13mv02(2)v0236g(3)13v0解析(1)子弹与

木块B作用瞬间水平方向的动量守恒,可得mv0=(m+2m)v1,解得v1=v03.设产生的热量为Q,根据能量守恒定律有Q=12mv02-32mv12=13mv02.(2)木块B到最高点时,小车A、木块B、子弹三者有相同的水平速度,根据水平方向动量守恒有(m+2m)v1=(m+2m+3m)v2,解

得v2=16v0.由机械能守恒定律有3mgh+12×6mv22=12×3mv12,解得h=v0236g.(3)设小车A运动过程的最大速度为v4,此时木块的速度为v3,当木块回到原来高度时,小车的速度最大,根据水平方向动量守恒,有3m

v1=3mv3+3mv4,根据能量守恒定律有32mv12=32mv32+32mv42,解得v4=13v0.课时精练1.(多选)如图1所示,在质量为M的小车上挂有一单摆,摆球的质量为m0,小车和单摆以恒定的速度v沿光滑水平地面运动,与位于正对面的质量为m的静止木块发生碰撞,碰撞的时间极短,在此碰撞过

程中,下列哪些情况的说法是可能发生的()图1A.小车、木块、摆球的速度都发生变化,分别变为v1、v2、v3,满足(M+m0)v=Mv1+mv2+m0v3B.摆球的速度不变,小车和木块的速度变为v1和v2,满足Mv=Mv1+m

v2C.摆球的速度不变,小车和木块的速度都变为v1,满足Mv=(M+m)v1D.小车和摆球的速度都变为v1,木块的速度变为v2,满足(M+m0)v=(M+m0)v1+mv2答案BC解析在小车与木块直接碰撞的瞬间,彼此作用力很大,所

以它们的速度在瞬间发生改变,在此期间它们的位移可看成为零,而摆球并没有直接与木块发生力的作用,因为在它与小车共同匀速运动时,摆线沿竖直方向,因此绳的拉力不能改变小球速度的大小,即小球的速度不变,A、D错误;而小车和木块碰撞后,

可能以不同的速度继续向前运动,也可能以共同速度(完全非弹性碰撞)向前运动,B、C正确.2.(2019·湖北沙市中学模拟)如图2所示,光滑水平面上有两辆小车,用细线(未画出)相连,中间有一个被压缩的轻弹簧(与两小车未连接),小车处于静止状态,烧断细线后,由于弹力的作用两小车分别

向左、右运动.已知两小车的质量之比为m1∶m2=2∶1,下列说法正确的是()图2A.弹簧弹开后左右两小车的速度大小之比为1∶2B.弹簧弹开后左右两小车的动量大小之比为1∶2C.弹簧弹开过程左右两小车受到的冲量大小之比为2∶1D.弹簧弹开过程弹力对左右

两小车做功之比为1∶4答案A解析两小车及弹簧系统所受合力为零,动量守恒,以水平向右为正方向,根据动量守恒定律得m2v2-m1v1=0,解得v1∶v2=1∶2,A正确;由动量守恒定律知,弹簧弹开后左右两小车的动量大小相等,B错误;弹簧弹开过程中,左右两小车受到的弹力大

小相等,作用时间相同,由I=Ft知,左右两小车受到的冲量大小之比为1∶1,C错误;由动能定理得,弹簧弹开过程弹力对左右两小车做功之比为W1∶W2=p122m1∶p222m2=1∶2,D错误.3.如图3甲所示,光滑水平面上有A、B两物块,已知A物块的质量mA=1

kg.初始时刻B静止,A以一定的初速度向右运动,之后与B发生碰撞并一起运动,它们的位移—时间图象如图乙所示(规定向右为位移的正方向),已知A、B碰撞时间极短(t=0.01s),图中无法显示,则()图3A.物块B的质量为2kgB.物块B的质量为4kgC.A、B碰撞时的平均作

用力大小为300ND.A、B碰撞时的平均作用力大小为100N答案C解析由题图乙可知撞前vA=4m/s,vB=0,撞后v=20-168-4m/s=1m/s,则由mAvA=(mA+mB)v可得mB=mAvA-mAvv=3kg,A、B错误;对B有Ft=mBv-0,解得F=300N,

C正确,D错误.4.(2017·全国卷Ⅰ·14)将质量为1.00kg的模型火箭点火升空,50g燃烧的燃气以大小为600m/s的速度从火箭喷口在很短时间内喷出.在燃气喷出后的瞬间,火箭的动量大小为(喷出过程中重力和空气阻力可忽略)()A.30kg·m/sB.5.7×102kg·m/

sC.6.0×102kg·m/sD.6.3×102kg·m/s答案A解析设火箭的质量为m1,燃气的质量为m2.由题意可知,燃气喷出后的瞬间,燃气的动量大小p2=m2v2=50×10-3×600kg·m/s=30kg·m/s.以火箭运动的方向为正方向,根据动量守恒定律可得,0=

m1v1-m2v2,则火箭的动量大小为p1=m1v1=m2v2=30kg·m/s,所以A正确,B、C、D错误.5.(多选)(2020·湖北武汉市开学考试)如图4所示,在光滑平直的路面上静止着两辆完全相同的小车,人从a车跳上b车,又立即从b车跳回a车,并与a车保持相对静止

.下列说法正确的是()图4A.最终a车的速率大于b车的速率B.最终a车的速率小于b车的速率C.全过程中,a车对人的冲量大于b车对人的冲量D.全过程中,a车对人的冲量小于b车对人的冲量答案BD解析人与a、b组成的系统水平方向不受

外力,设水平向右的方向为正方向,根据动量守恒,则有0=(m人+ma)va-mbvb,得vavb=mbma+m人<1,则a车的速率小于b车的速率;人对两车的冲量大小:Ia=mava,Ib=mbvb=(ma+m人)va>mava,结合牛顿第三定律可知,a车对人的冲量小于b

车对人的冲量,故选B、D.6.(多选)(2019·福建龙岩市模拟)如图5所示,在粗糙水平面上,用水平轻绳相连的两个相同的物体A、B质量均为m,在水平恒力F作用下以速度v做匀速运动.在t=0时轻绳断开,A在F作用下继续前进,则下列说法正确

的是()图5A.t=0至t=mvF时间内,A、B的总动量守恒B.t=2mvF至t=3mvF时间内,A、B的总动量守恒C.t=2mvF时,A的动量为2mvD.t=4mvF时,A的动量为4mv答案AC解析在B停止运动前,A、B整体所受的合

外力为零,总动量守恒;在B停止运动后,A、B整体所受的合外力不为零,总动量不守恒.设A、B所受的滑动摩擦力大小均为Ff,系统匀速运动时,有F=2Ff,得Ff=F2;轻绳断开后,对B,取向右为正方向,由动量定理得-Fft=0-mv,联立得t=2mvF,即t=2mvF时B

停止运动.在B停止运动前,即在t=0至t=2mvF时间内,A、B系统的合外力为零,总动量守恒,故A正确;t=2mvF至t=3mvF时间内,B停止运动,A做匀加速运动,系统的合外力不为零,则系统的总动量不

守恒,故B错误;t=2mvF时,由系统的动量守恒得2mv=pA+0,得A的动量pA=2mv,故C正确;t=4mvF时,对A,由动量定理得(F-Ff)(4mvF-2mvF)=pA′-2mv,解得A的动量pA′=3mv,故D错误.7.(多选)(2020·吉林长春市模拟)在冰壶比

赛中,球员手持毛刷擦刷冰面,可以改变冰壶滑行时受到的阻力.如图6甲所示,蓝壶静止在固定区域内,运动员用等质量的红壶撞击蓝壶,两壶发生正碰,碰后两壶的加速度相等,若碰撞前后两壶的v-t图象如图乙所示.关于冰壶的运动,下列说法正确的是()图6

A.红壶碰撞前后速度大小变化了1.1m/sB.碰撞后蓝壶的加速度大小为0.3m/s2C.蓝壶运动了4s停下D.碰撞后两壶相距的最远距离为1.2m答案BD解析红壶碰撞前后的速度分别为1.2m/s、0.3m/s,所以红壶碰撞前后速度大小变化了0.9m/s,故A错误;碰撞后蓝壶的加速度大小等于红壶的

加速度大小,为a=ΔvΔt=0.31m/s2=0.3m/s2,故B正确;设碰后蓝壶的速度为v,碰前红壶的速度v0=1.2m/s,碰后速度为v0′=0.3m/s,根据动量守恒定律可得:mv0=mv0′+mv,解得:v=0.9m/s,故蓝壶运动时间为t=va=3s,故C错误;碰撞后两壶相距的

最远距离等于碰后两图线与时间轴所围面积之差,为s=0.9×32m-0.3×12m=1.2m,故D正确.8.如图7所示,在光滑水平面上有A、B两辆小车,水平面的左侧有一竖直墙,在小车B上坐着一个小孩,小孩与B车的总质量是A车质量的10倍.两车开始都处于静止状态,小孩把A车以相对于地面的速度v

推出,A车与墙壁碰后仍以原速率返回,小孩接到A车后,又把它以相对于地面的速度v推出.每次推出,A车相对于地面的速度都是v,方向向左.则小孩把A车推出几次后,A车返回时小孩不能再接到A车()图7A.5B.6C.7D.8答

案B解析方法一取水平向右为正方向,小孩第一次推出A车时,有mBv1-mAv=0,解得v1=mAmBv,第n次推出A车时,有mAv+mBvn-1=-mAv+mBvn,则vn-vn-1=2mAmBv,所以vn=v

1+(n-1)2mAmBv,当vn≥v时,再也接不到小车,由以上各式得n≥5.5,取n=6,故选B.方法二当小孩推、接小车A时,小车A、B与小孩组成的系统动量守恒,当A车与墙壁碰撞反弹时墙壁对A车冲量I=2mAv系统动量增加2

mAv,设小孩把A车推出n次后,小孩恰好不能再接到A车,对整个系统由动量定理得:nI=mAv+mBv联立两式解得n=5.5,故至少推6次.9.(2018·全国卷Ⅱ·24)汽车A在水平冰雪路面上行驶.驾驶员发现其正前方停有汽车B,立即采取制动措施,但仍然撞上了汽车B.两车碰撞

时和两车都完全停止后的位置如图8所示,碰撞后B车向前滑动了4.5m,A车向前滑动了2.0m.已知A和B的质量分别为2.0×103kg和1.5×103kg,两车与该冰雪路面间的动摩擦因数均为0.10,两车碰撞时间极短,在碰撞后车轮均没有滚动,重力加速度大小g=10m/s

2.求:图8(1)碰撞后的瞬间B车速度的大小;(2)碰撞前的瞬间A车速度的大小.答案(1)3.0m/s(2)4.3m/s解析(1)设B车的质量为mB,碰后加速度大小为aB.根据牛顿第二定律有μmBg=mBaB①式中μ是汽车与路面间的动摩擦因数.设碰撞后瞬间B车速度的大小为vB′,碰撞后滑

行的距离为sB.由运动学公式有vB′2=2aBsB②联立①②式并利用题给数据得vB′=3.0m/s③(2)设A车的质量为mA,碰后加速度大小为aA,根据牛顿第二定律有μmAg=mAaA④设碰撞后瞬间A车速度的大小为v

A′,碰撞后滑行的距离为sA,由运动学公式有vA′2=2aAsA⑤设碰撞前的瞬间A车速度的大小为vA.两车在碰撞过程中动量守恒,有mAvA=mAvA′+mBvB′⑥联立③④⑤⑥式并利用题给数据得vA≈4.3m/s10.如图9所

示,甲车质量m1=20kg,车上有质量M=50kg的人,甲车(连同车上的人)以v=3m/s的速度向右滑行,此时质量m2=50kg的乙车正以v0=1.8m/s的速度迎面滑来,为了避免两车相撞,当两车相距适当距离时,人从甲车跳到乙车上,则人跳出甲车的水平速度(相对地面)应当在什

么范围内才能避免两车相撞?不计地面和小车的摩擦,且乙车足够长.图9答案大于或等于3.8m/s解析人跳到乙车上后,如果两车同向,且甲车的速度等于乙车的速度就可以恰好避免两车相撞以人、甲车、乙车组成的系统为研究对象,以向右为正方向由水平方向动量守恒得(m1+M)v-m2v0=(m1+m2+M

)v′解得v′=1m/s以人与甲车为一系统,人跳离甲车过程水平方向动量守恒,得(m1+M)v=m1v′+Mu解得u=3.8m/s因此,只要人跳离甲车的速度大于或等于3.8m/s,就可避免两车相撞.11.(2021·江苏常州市期中)如图10所示,质量m=1kg

的物块,可视为质点,右端和墙壁间压缩一水平轻弹簧,从A点静止释放后滑出B点,恰能过C点沿半径R=0.5m的竖直半圆弧轨道的内侧做圆周运动,经最低点D滑到静止在水平地面的木板上.木板质量M=4kg、长度L=2.05m

,且与右侧等高的平台P相碰时将被立即锁定.已知物块与平台AB、物块与木板间的动摩擦因数均为μ=0.5,其余摩擦不计,A、B间的距离L0=0.6m,木板右端距离平台P左侧的初始距离为s,g=10m/s2.求:图10(1)弹簧弹力对物块所做的功W

;(2)物块经过D点时所受轨道支持力F的大小;(3)物块滑上平台P时的动能Ek与s的关系.答案(1)5.5J(2)60N(3)见解析解析(1)物块恰好通过C点,有mg=mvC2R解得vC=5m/s由动能定理得,W-μmgL0=

12mvC2解得W=5.5J(2)物块由C运动到D,由动能定理得2mgR=12mvD2-12mvC2解得vD=5m/s在D点,F-mg=mvD2R解得F=60N(3)若物块与木板能共速,由动量守恒定律得mvD=(M+m)v共解得v共=1m/s对物块,-μmg·x物=12mv共2-12mvD2,

得x物=2.4m对木板,μmg·x板=12Mv共2,得x板=0.4m,(L+x板>x物)(用牛顿运动定律解答同样得分)①若s≥0.4m,物块能和木板共速,则由能量守恒得:Ek=12mv共2-μmg(L+x板-x物)=0.25J②若s<0.4m,物块不能和

木板共速,则由能量守恒得:Ek=12mvD2-μmg·(L+s)=2.25-5s

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