第三节动量守恒定律在碰撞中的应用
1.应用动量守恒定律解题的一般步骤为:
(1)确定研究对象组成的系统。分析所研究的过程中,系统受外力的情况是否满足动量守恒定律的应用条件。
(2)设定正方向,分别写出系统初、末状态的总动量。
(3)根据动量守恒定律列方程。
(4)解方程,统一单位后代入数值进行运算,列出结果。
2.碰撞类问题中,相互作用力往往是变力,过程相当复杂,很难用牛顿运动定律来求解,而应用动量守恒定律只需考虑过程的初、末状态,不必涉及过程的细节,因而在解决碰撞问题中有广泛的应用。
3.不同类型的碰撞问题一定满足动量守恒定律,但不一定满足机械能守恒定律。
对碰撞问题的分析
1.常见碰撞情况的分析
(1)弹性碰撞。
特点:在弹性碰撞过程中系统无机械能损失。即只发生机械能传递而不发生能量转化。弹性碰撞同时遵守动量守恒定律和机械能守恒定律。
(2)非弹性碰撞。
特点:在碰撞过程中有机械能损失,即发生能量转化,一般是机械能转化为内能。故只遵守动量守恒,不遵守机械能守恒。
(3)完全非弹性碰撞。
特点:在碰撞过程中机械能损失最多,只遵守动量守恒,不遵守机械能守恒。
2.碰撞过程应满足的条件
在所给的条件不同的情况下,碰撞情况有各种可能,但不管哪种情况必须同时满足以下三条:
(1)系统的总动量守恒。
(2)系统的机械能不增加,即E′k1+E′k2≤Ek1+Ek2。
(3)符合实际情况,如碰后两者同向运动,应有v前≥v后,若不满足,则该碰撞过程不可能。
(1)即使物体在碰撞过程中系统所受合外力不等于零,由于内力远大于外力,所以外力的作用可以忽略,认为系统的总动量守恒。故分析碰撞问题时,应首先想到动量守恒定律。
(2)一般两个硬质小球间的碰撞,都很接近弹性碰撞,常当成弹性碰撞来处理。
1.两个球沿直线相向运动,碰撞后两球都静止。则可以推断( )
A.两个球的动量一定相等
B.两个球的质量一定相等
C.两个球的速度一定相等
D.两个球的动量大小相等,方向相反
解析:选D 两球碰撞过程中动量守恒,碰后两球都静止,说明碰撞前后两球的总动量为零,故碰前两个球的动量大小相等,方向相反,A、B、C错误,D正确。
子弹打木块模型
这类问题具有以下共同特点:
(1)作用时,F内?F外,子弹与木块作用过程中系统动量守恒。
(2)作用时间极短,子弹与木块作用过程中,木块的位置几乎不变。
(3)作用后,子弹留在木块中,即合二为一,与完全非弹性碰撞相同;作用后子弹穿过木块,与非弹性碰撞相类似。
(4)子弹打木块过程,除了列出动量守恒定律,还要列出能量方程,子弹打木块过程中产生的能量Q=f·L相对,也等于系统作用过程中动能的减少量。对L相对的理解:子弹留在木块中,L相对为子弹打入木块的深度,子弹射穿木块,L相对为木块的长度。
2.如图所示,在光滑水平面上有一质量为M的木块,木块与轻弹簧水平相连,弹簧的另一端连在竖直墙上,木块处于静止状态,一质量为m的子弹以水平速度v0击中木块,并嵌在其中,木块压缩弹簧后在水平面上做往复运动,木块从被子弹击中前到第一次回到原来位置的过程中,木块受到的合外力的冲量大小为( )
A. B.2Mv0
C. D.2mv0
解析:选A 本题的疑难之处是木块受到的合外力为变力。子弹射入木块的时间极短,根据动量守恒定律得mv0=(M+m)v,解得木块的速度v=,第一次回到原来位置的速度等于子弹击中木块后瞬间的速度,对木块应用动量定理得合外力的冲量I=Mv=,故A正确。
动量守恒定律的应用
1.运用动量守恒定律解题的基本步骤
(1)明确题意,确定研究对象和研究过程。
动量守恒定律的研究对象是系统,为了满足守恒条件,系统的划分非常重要,往往通过适当变换划入系统的物体,才可以找到满足守恒条件的系统。
(2)对系统内物体受力分析,判断系统在其过程中是否满足动量守恒的条件。
若满足则进行下一步列式,否则需考虑修改系统的划定范围(增减某些物体)或改变过程的起点或终点,再看能否满足动量守恒条件。
(3)明确所研究过程的始、末状态,规定正方向,确定始、末状态的动量值表达式。
(4)根据题意,选取恰当的动量守恒定律的表达形式,列出方程。
(5)合理进行运算,得出最后的结果,并对结果进行讨论。
2.动量守恒定律与机械能守恒定律的比较
项目
动量守恒定律
机械能守恒定律
守恒条件
不受外力或所受合外力为零
只有重力和弹力做功
一般表
达式
p1+p2=p1′+p2′
Ek1+Ep1=Ek2+Ep2
标矢性
矢量式
标量式
守恒条件
的理解
外力总冲量为零,系统总动量不变
只发生势能和动能相互转化。可以有重力和弹力以外的力作用,但必须是不做功
注意事项
应选取正方向
选取零势能面
(1)动量守恒定律的表达式为矢量式,应用时应注意方向,而机械能守恒定律的表达式为标量式,对功和能只能求代数和。
(2)动量守恒定律和机械能守恒定律的成立条件不同,故系统的动量守恒时,机械能不一定守恒,同理机械能守恒时,动量也不一定守恒。
3.[多选]质量为M、内壁间距为L的箱子静止于光滑的水平面上,箱子中间有一质量为m的小物块,小物块与箱子底板间的动摩擦因数为μ。初始时小物块停在箱子正中间,如图所示。现给小物块一水平向右的初速度v,小物块与箱壁碰撞N次后恰又回到箱子正中间,并与箱子保持相对静止。设碰撞都是弹性的,则整个过程中,系统损失的动能为( )
A.mv2 B.
C.NμmgL D.NμmgL
解析:选BD 设最终箱子与小物块的速度为v1,根据动量守恒定律:mv=(m+M)v1,则动能损失ΔEk=mv2-(m+M)v,解得ΔEk=v2,B对;依题意,小物块与箱壁碰撞N次后回到箱子的正中间,相对箱子运动的路程为s=0.5L+(N-1)L+0.5L=NL,故系统因摩擦产生的热量即为系统损失的动能:ΔEk=Q=NμmgL,D对。
碰撞问题的分析
[例1] [多选]半径相等的小球甲和乙,在光滑水平面上沿同一直线相向运动。若甲球的质量大于乙球的质量,碰撞前两球的动能相等,则碰撞后两球的运动状态可能是( )
A.甲球的速度为零,而乙球的速度不为零
B.乙球的速度为零,而甲球的速度不为零
C.两球的速度均不为零
D.两球的速度方向均与原方向相反,两球的动能仍相等
[解析] 甲、乙两球在光滑水平面上发生碰撞,满足动量守恒的条件,因此,碰撞前后甲、乙两球组成的系统总动量守恒。碰撞前,由于Ek甲=Ek乙,而Ek=,由题设条件m甲>m乙可知p甲>p乙,碰撞后,如果甲球速度为零,则乙球必反弹,系统的总动量方向与碰撞前相同,根据动量守恒定律,这是可能的,A选项对。如果乙球速度为零,则甲球反弹,系统的总动量方向与碰撞前相反,违反了动量守恒定律,B选项错误。如果甲、乙两球速度均不为零,可以满足动量守恒定律的要求,C选项对。如果碰撞后两球的速度都反向,且动能仍相等,由Ek=得p甲′>p乙′,则总动量方向与碰撞前相反,不符合动量守恒定律,D选项错误。
[答案] AC
运用动量守恒定律解决碰撞类问题时应该注意的问题:
(1)要注意结果的合理性,即符合物理情景,符合能量守恒定律,能量不能凭空产生。
(2)注意动量的矢量性,即动量的方向性要特别注意,在一条直线上的碰撞,我们总是规定某一方向上动量为正,则另一相反方向动量为负。
(3)注意速度要符合物理情景,如A球去碰静止的B球,碰后两球同向,则A球速率不能大于B球。
1.A、B两球沿同一条直线运动,如图所示的s-t图像记录了它们碰撞前后的运动情况,其中a,b分别为A,B碰撞前的s-t图像,c为碰撞后它们的s-t图像。若A球质量为1 kg,则B球质量为多大?
解析:若规定碰前A球的速度方向为正方向,则
vA=3 m/s,vB=-2 m/s,vc=1 m/s,
由动量守恒定律得:
mAvA+mBvB=(mA+mB)vc
解得:mB==kg
=kg≈0.67 kg。
答案:0.67 kg
碰撞中的临界问题及多体问题
[例2] 如图所示,滑块A、C质量均为m,滑块B质量为m。开始时A、B分别以v1、v2的速度沿光滑水平轨道向固定在右侧的挡板运动,现将C无初速地放在A上,并与A黏合不再分开,此时A与B相距较近,B与挡板相距足够远。若B与挡板碰撞将以原速率反弹,A与B碰撞将黏合在一起。为使B能与挡板碰撞两次,v1、v2应满足什么关系?
[解析] 设向右为正方向,A与C黏合在一起的共同速度为v′,由动量守恒定律得
mv1=2mv′
为保证B碰挡板前A未追上B,应满足
v′≤v2
设A与B碰后的共同速度为v″,由动量守恒定律得
2mv′-mv2=mv″
为使B能与挡板再次碰撞,A与B碰后的共同速度v″方向应向右,即应满足v″>0
以上各式联立解得:
1.5v2<v1≤2v2或v1≤v2<v1。
[答案] 1.5v2<v1≤2v2或v1≤v2<v1
(1)在动量守恒定律的应用中,常常会遇到相互作用的两物体“恰好分离”、“恰好不相碰”,“两物体相距最近”,“某物体恰开始反向”等临界问题,分析此类问题时:
①分析物体的受力情况、运动性质,判断系统是否满足动量守恒的条件,正确应用动量守恒定律。
②分析临界状态出现所需的条件,即临界条件。临界条件往往表现为某个(或某些)物理量的特定取值(或特定关系),通常表现为两物体的相对速度关系或相对位移关系,这些特定关系是求解这类问题的关键。
(2)多个物体相互作用时,物理过程往往比较复杂,分析此类问题时:
①正确分析作用过程中各物体状态的变化情况,建立运动模型。
②分清作用过程中的不同阶段,并找出联系各阶段的状态量。
③合理选取研究对象,既要符合动量守恒的条件,又要方便解题。
2.用一个半球形容器和三个小球可以进行碰撞实验。已知容器内侧面光滑,半径为R。三个质量分别为m1、m2、m3的小球1、2、3,半径相同且可视为质点,自左向右依次静置于容器底部的同一直线上且相互接触。若将小球1移至左侧离容器底高h处无初速释放,如图所示。各小球间的碰撞时间极短且碰撞时无机械能损失。小球1与2、2与3碰后,小球1停在O点正下方,小球2上升的最大高度为R,小球3恰能滑出容器,则三个小球的质量之比为( )
A.2∶2∶1 B.3∶3∶1
C.4∶4∶1 D.3∶2∶1
解析:选B 碰撞前对小球1的下滑过程,由机械能守恒定律得m1gh=m1v,对于碰撞过程,取向右为正方向,由动量守恒定律得m1v0=m2v2+m3v3,由机械能守恒定律得m1v=m2v+m3v,碰撞后,对小球2,根据机械能守恒定律有m2g·R=m2v,对小球3,根据机械能守恒定律有m3gR=m3v,联立解得m1∶m2∶m3=3∶3∶1,选项B正确。
动量守恒与能量守恒的综合
[例3] (全国卷Ⅰ)如图,在足够长的光滑水平面上,物体A、B、C位于同一直线上,A位于B、C之间。A的质量为m,B、C的质量都为M,三者均处于静止状态。现使A以某一速度向右运动,求m和M之间应满足什么条件,才能使A只与B、C各发生一次碰撞。设物体间的碰撞都是弹性的。
[解析] A向右运动与C发生第一次碰撞,碰撞过程中,系统的动量守恒、机械能守恒。设速度方向向右为正,开始时A的速度为v0,第一次碰撞后C的速度为vC1,A的速度为vA1。由动量守恒定律和机械能守恒定律得
mv0=mvA1+MvC1①
mv=mv+Mv②
联立①②式得
vA1=v0③
vC1=v0④
如果m>M,第一次碰撞后,A与C速度同向,且A的速度小于C的速度,不可能与B发生碰撞;如果m=M,第一次碰撞后,A静止,C以A碰前的速度向右运动,A不可能与B发生碰撞;所以只需考虑m<M的情况。
第一次碰撞后,A反向运动与B发生碰撞。设与B发生碰撞后,A的速度为vA2,B的速度为vB1,同样有
vA2=vA1=2v0⑤
根据题意,要求A只与B、C各发生一次碰撞,应有
vA2≤vC1⑥
联立④⑤⑥式得m2+4mM-M2≥0⑦
解得m≥(-2)M⑧
另一解m≤-(+2)M舍去。
所以,m和M应满足的条件为
(-2)M≤m<M。⑨
[答案] (-2)M≤m<M
(1)动量守恒定律和能量守恒定律,是自然界最普遍的规律,它们的研究对象都是物体组成的系统,解题时必须注意动量守恒和机械能守恒成立的条件。
(2)利用机械能守恒定律、能量守恒定律解题时着重分析力的做功情况、能量的转化情况;而利用动量守恒定律解题时着重分析系统的受力情况。
3.如图所示,光滑水平面上静止放置质量M=2 kg的长木板C;离板右端x=0.72 m处静止放置质量mA=1 kg的小物块A,A与C间的动摩擦因数μ=0.4;在木板右端静止放置质量mB=1 kg的小物块B,B与C间的摩擦忽略不计。设最大静摩擦力等于滑动摩擦力,A、B均可视为质点,g取10 m/s2。现在木板上加一水平向右的力F=3 N,到A与B发生弹性碰撞时撤去力F。问:
(1)A与B碰撞之前运动的时间是多少?
(2)若A最终能停在C上,则长木板C的长度至少是多少?
解析:(1)若A、C相对滑动,则A受到的摩擦力为:FA=μmAg=4 N>F,故A、C不可能发生相对滑动,设A、C一起运动的加速度为a
a==1 m/s2
由x=at2有:t==1.2 s。
(2)因A、B发生弹性碰撞,由于mA=mB,故A、B碰后,A的速度为0,则从碰后瞬间到木板与A速度相同的过程中,由动量守恒定律:
v0=1.2 m/s v=0.8 m/s
由能量守恒:
μmAgΔx=Mv-(M+mA)v2
Δx=0.12 m
故木板C的长度L至少为:
L=x+Δx=0.84 m。
答案:(1)1.2 s (2)0.84 m
一、选择题(第1~5题为单选题,第6~8题为多选题)
1.冰壶运动深受观众喜爱,图(a)为冬奥会上运动员投掷冰壶的镜头。在某次投掷中,冰壶甲运动一段时间后与对方静止的冰壶乙发生正碰,如图(b)所示。若两冰壶质量相等,则碰后两冰壶最终停止的位置,可能是下列图中的哪幅图( )
解析:选B 碰撞过程动量守恒,两冰壶发生正碰,由动量守恒定律可知,碰撞前后系统动量不变,两冰壶的动量方向即速度方向不会偏离甲原来的方向,由题图可知,A图示情况是不可能的,故A错误;如果两冰壶发生弹性碰撞,碰撞过程动量守恒、机械能守恒,两冰壶质量相等,碰撞后两冰壶交换速度,甲静止,乙的速度等于甲的速度,碰后乙做减速运动,最后停止,最终两冰壶的位置如图B所示,故B正确;两冰壶碰撞后,甲的速度不可能大于乙的速度,碰后乙在前,甲在后,图C是不可能出现的,故C错误;碰撞过程机械能不可能增大,两冰壶质量相等,碰撞后甲的速度不可能大于乙的速度,碰撞后甲的位移不可能大于乙的位移,故D错误。
2.A、B两物体发生正碰,碰撞前后物体A、B都在同一直线上运动,其位移-时间图像(st图)如图中A、D、C和B、D、C所示。由图可知,物体A、B的质量之比为( )
A.1∶1 B.1∶2
C.1∶3 D.3∶1
解析:选C 由图可得,碰撞前vA=4 m/s,vB=0;碰撞后vA′=vB′=1 m/s,由动量守恒mAvA=(mA+mB)v′可得==,故C对。
3.如图所示,光滑圆槽的质量为M,静止在光滑的水平面上,其内表面有一小球被细线吊着恰位于槽的边缘处,如将线烧断,小球滑到另一边的最高点时,圆槽的速度为( )
A.0 B.向左
C.向右 D.无法确定
解析:选A 小球和圆槽组成的系统在水平方向上不受外力,故系统在水平方向上动量守恒。细线被烧断的瞬间,系统在水平方向的总动量为零。又知小球到达最高点时,球与槽水平方向上有共同速度,设为v′,由动量守恒定律有:0=(M+m)v′,所以v′=0,故A对。
4.质量相等的三个小球a,b,c在光滑的水平面上以相同的速度运动,它们分别与原来静止的三个小球A,B,C相碰,相碰后,a球继续沿原来方向运动,b球静止,c球被反弹回来,这时A,B,C三个被碰小球中动量最大的是( )
A.A球 B.B球
C.C球 D.三球一样大
解析:选C 设a,b,c质量均为m,碰前速度均为v,则a碰A过程中有mv=mva+pA;b碰B过程中有mv=pB;c碰C过程中有mv=-mvc+pC,可得pC>pB>pA,故选项C对。
5.如图所示,质量为0.5 kg的小球在距离车底面高20 m处以一定的初速度向左平抛,落在以 7.5 m/s 速度沿光滑水平面向右匀速行驶的敞篷小车中,车底涂有一层油泥,车与油泥的总质量为4 kg。设小球在落到车底前瞬间的速度是25 m/s,则当小球与小车相对静止时,小车的速度是( )
A.5 m/s B.4 m/s
C.8.5 m/s D.9.5 m/s
解析:选A 小球做平抛运动,它落在车底前瞬间的竖直分速度为vy== m/s=20 m/s
则小球的水平分速度为v0==15 m/s
小球落到车中跟车相互作用过程中,系统在水平方向的动量守恒,则:
Mv-mv0=(M+m)v′
v′== m/s=5 m/s。
所以选项A正确。
6.质量相等的A、B两球在光滑水平面上沿同一直线、同一方向运动,A球的动量是7 kg·m/s,B球的动量是5 kg·m/s,当A球追上B球发生碰撞,则碰撞后A、B两球的动量可能值是( )
A.pA=6 kg·m/s,pB=6 kg·m/s
B.pA=3 kg·m/s,pB=9 kg·m/s
C.pA=5 kg·m/s,pB=7 kg·m/s
D.pA=-4 kg·m/s,pB=17 kg·m/s
解析:选AC 由碰撞过程中动量守恒pA+pB=pA′+pB′可知D错。由碰撞过程中动能不可能增加,+≥+可得B错,A、C对。
7.向空中发射一物体.不计空气阻力,当物体的速度恰好沿水平方向时,物体炸裂为a,b两块。若质量较大的a块的速度方向仍沿原来的方向,则( )
A.b的速度方向一定与原速度方向相反
B.从炸裂到落地这段时间里,a飞行的水平距离一定比b的大
C.a、b一定同时到达地面
D.炸裂的过程中,a、b受到的爆炸力的冲量大小一定相等
解析:选CD 炸裂过程物体沿水平方向不受外力,所以沿水平方向动量守恒,有:(mA+mB)v=mAvA+mBvB,当vA与原来速度v同向时,vB可能与v反向,也可能与v同向,A错误;a、b在水平飞行的同时,竖直方向做自由落体运动,落地时间t=,所以落地时间相等,C正确;由于水平飞行距离x=vt,a、b炸裂后的速度vA、vB大小关系不确定,所以水平飞行距离无法比较大小,B错误;根据牛顿第三定律,a、b所受爆炸力FA=-FB,力的作用时间相等,所以冲量I=Ft的大小一定相等,D正确。
8.如图所示,弹簧的一端固定在竖直墙上,质量为m的光滑弧形槽静止在光滑水平面上,底部与水平面平滑连接,一个质量也为m的小球从槽上高h处由静止开始自由下滑( )
A.在下滑过程中,小球和槽之间的相互作用力对槽不做功
B.在下滑过程中,小球和槽组成的系统水平方向动量守恒
C.被弹簧反弹后,小球和槽都做速率不变的直线运动
D.被弹簧反弹后,小球能回到槽上高h处
解析:选BC 在下滑过程中,小球和槽之间的相互作用力对槽做功,选项A错误;在下滑过程中,小球和槽组成的系统在水平方向所受合外力为零,系统在水平方向动量守恒,选项B正确;小球被弹簧反弹后,小球和槽在水平方向不受外力作用,故小球和槽都做匀速运动,选项C正确;小球与槽组成的系统动量守恒,球与槽的质量相等,小球沿槽下滑,球与槽分离后,小球与槽的速度大小相等,小球被弹簧反弹后与槽的速度相等,故小球不能滑到槽上,选项D错误。
二、非选择题
9.如图所示,光滑水平轨道上放置长板A(上表面粗糙)和滑块C,滑块B置于A的左端,三者质量分别为mA=2 kg、mB=1 kg、mC=2 kg。开始时C静止,A、B一起以v0=5 m/s的速度匀速向右运动,A与C发生碰撞(时间极短)后C向右运动,经过一段时间,A、B再次达到共同速度一起向右运动,且恰好不再与C碰撞。求A与C碰撞后瞬间A的速度大小。
解析:因碰撞时间极短,A与C碰撞过程动量守恒,设碰后瞬间A的速度为vA,C的速度为vC,以向右为正方向,由动量守恒定律得
mAv0=mAvA+mCvC①
A与B在摩擦力作用下达到共同速度,设共同速度为vAB,由动量守恒定律得
mAvA+mBv0=(mA+mB)vAB②
A与B达到共同速度后恰好不再与C碰撞,应满足vAB=vC③
联立①②③式,代入数据得
vA=2 m/s。④
答案:2 m/s
10.一炮弹质量为m,相对水平方向以一定的倾角θ斜向上发射,发射速度为v,炮弹在最高点爆炸成两块,其中一块以原速率沿原轨道返回,质量为,求:
(1)另一块爆炸后瞬时的速度大小;
(2)爆炸过程系统增加的机械能。
解析:(1)炮弹在水平方向上做匀速直线运动,在最高点处爆炸前的速度v1=vcos θ,
设v1的方向为正方向,由动量守恒定律得mv1=(-v1)+v2,解得v2=3vcos θ。
(2)爆炸过程中系统增加的机械能ΔEk=··v+··v-mv,将v1=vcos θ、v2=3vcos θ代入得ΔEk=2m(vcos θ)2。
答案:(1)3vcos θ (2)2m(vcos θ)2
11.(全国卷Ⅱ)两滑块a、b沿水平面上同一条直线运动,并发生碰撞;碰撞后两者粘在一起运动;经过一段时间后,从光滑路段进入粗糙路段。两者的位置x随时间t变化的图像如图所示。求:
(1)滑块a、b的质量之比;
(2)整个运动过程中,两滑块克服摩擦力做的功与因碰撞而损失的机械能之比。
解析:(1)设a、b的质量分别为m1、m2,a、b碰撞前的速度为v1、v2。由题给图像得
v1=-2 m/s①
v2=1 m/s②
a、b发生完全非弹性碰撞,碰撞后两滑块的共同速度为v。由题给图像得
v= m/s③
由动量守恒定律得
m1v1+m2v2=(m1+m2)v④
联立①②③④式得
m1∶m2=1∶8。⑤
(2)由能量守恒得,两滑块因碰撞而损失的机械能为
ΔE=m1v+m2v-(m1+m2)v2⑥
由图像可知,两滑块最后停止运动。由动能定理得,两滑块克服摩擦力所做的功为
W=(m1+m2)v2⑦
联立⑥⑦式,并代入题给数据得
W∶ΔE=1∶2。⑧
答案:(1)1∶8 (2)1∶2