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选修3-5(动量守恒定律和近代物理)是高中物理的重要组成部分,也是高考重要考点.选修3-5的核心考点主要有:动量守恒定律、波粒二象性、原子结构和原子核.
核心考点一 动量守恒定律
【知识和方法精讲】
1.动量守恒定律:相互作用的几个物体组成的系统,如果不受外力或它们所受外力的合力为零,则系统的总动量守恒.
2.碰撞过程的三个制约因素:
a.动量制约——动量守恒.由于碰撞过程同时具备了“相互作用力大”和“作用时间短”两个特征,其他外力可忽略,取碰撞的两个物体作为系统,满足动量守恒定律.
b.动能制约——系统动能不增加.
c.运动制约——运动变化合理.
3.在物体发生相互作用时,伴随着能量的转化和转移.相互作用的系统一定满足能量守恒定律.若相互作用后有内能产生,则产生的内能等于系统损失的机械能.
4.动量定理:物体所受合外力的冲量等于物体动量的变化.即FΔt等于mv2-mv1.
反映了力对时间的累积效应,是力在时间上的积累.动量定理为矢量方程,动量和冲量都是既有大小又有方向的物理量.
5.冲量:I等于Ft.力随时间变化图象的面积表示该力的冲量.
【典例精析】
典例1 (2013•全国新课标理综Ⅰ)在粗糙的水平桌面上有两个静止的木块A和B,两者相距为d.现给A一初速度,使A与B发生弹性正碰,碰撞时间极短,当两木块都停止运动后,相距仍然为d.已知两木块与桌面之间的动摩擦因数均为μ,B的质量为A的2倍,重力加速度大小为g.求A的初速度的大小.
解析:设在发生碰撞前的瞬间,木块A的速度大小为v;在碰撞后的瞬间,A和B的速度分别为v1和v2.在碰撞过程中,由能量守恒定律和动量守恒定律.得
12mv2等于12mv21+12•2mv22
mv等于mv1+2mv2
式中,以碰撞前木块A的速度方向为正.联立解得:v1等于-v2[]2.
设碰撞后A和B运动的距离分别为d1和d2,由动能定理得
μmgd1等于12mv21
μ(2m)gd2等于12•2mv22
按题意有:d等于d1+d2.
设A的初速度大小为v0,由动能定理得
μmgd等于12mv20-12mv2
联立解得:v0等于285μgd.
点评:本题以两个相距一定距离的木块碰撞切入,意在考查能量守恒定律和动量守恒定律、动能定理及其相关知识.
[TPj45.TIF;Z1,Y][TS(1][JZ][HT5"H]图1[HT][TS)]
典例2 (2013•全国新课标理综II)如图1所示,光滑水平直轨道上有三个质量均为m的物块A、B、C,B的左侧固定一轻弹簧(弹簧左侧的挡板质量不计).设A以速度v0朝B运动,压缩弹簧;当AB速度相等时,B与C恰好相碰并粘接在一起,然后继续运动,假设B和C碰撞过程时间极短.求从A开始压缩弹簧直至与弹簧分离的过程中:
(1)整个系统损失的机械能;
(2)弹簧被压缩到最短时的弹性势能.
解析:(1)从A开始压缩弹簧到A与B具有相同速度v1时,对AB与弹簧组成的系统,由动量守恒定律得
mv0等于2mv1①
此时B与C发生完全非弹性碰撞,设碰撞后的瞬时速度为v2,系统损失的机械能为ΔE,对BC组成的系统,由动量守恒定律得
mv1等于2mv2②
由能量守恒定律得
12mv21等于12(2m)v22+ΔE③
联立解得:ΔE等于116mv20.
(2)由②式可知,v2<v1,A将继续压缩弹簧,直至三者速度相同,设此时速度为v3,此时弹簧被压缩到最短,其弹性势能为Ep.由动量守恒定律得
mv0等于3mv3
由能量守恒定律得
12mv20-ΔE等于12(3m)v23+Ep
联立解得:弹簧被压缩到最短时的弹性势能Ep等于1348mv20.
点评:本题以三个物体的碰撞切入,考查碰撞、弹性势能、动量守恒定律、能量守恒定律及其相关知识点,意在考查考生综合运用知识解决问题的能力.
[TPj46.TIF;Z1,Y][TS(1][JZ][HT5"H]图2[HT][TS)]
典例3 (2013•安徽理综)一物体放在水平地面上,如图2所示,已知物体所受水平拉力F随时间的变化情况如图3所示,物体相应的速度v随时间的变化关系如图4所示.求:
[TPj47.TIF,BP#][TS(1][JZ][HT5"H]图3图4[HT][TS)]
(1)0~8s时间内拉力的冲量;
(2)0~6s时间内物体的位移;
(3)0~10s时间内,物体克服摩擦力所做的功.
解析:(1)由图3可知:I等于F1Δt1+F2Δt2+F3Δt3等于1×2N•s+3×4N•s+2×2N•s等于18N•s.
(2)由图4可知0~6s时间内物体位移为:x等于6-22×3m等于6m.
(3)由图4可知,在6~8s时间内,物体做匀速运动,于是有摩擦力f等于2N.
由图4可知0~10s时间内物体的总位移为:x′等于(8-6)+(10-2)2×3m等于15m.
物体克服摩擦力所做的功:
W等于fx′等于2×15J等于30J.
点评:此题以水平拉力F随时间的变化图象和物体相应的速度v随时间的变化关系图象给出解题信息,意在考查对图象的理解、冲量、位移、功及其相关知识.
典例4 (2011•北京理综)如图5所示,用“碰撞试验器”可以验证动量守恒定律,即研究两个小球在轨道水平部分碰撞前后的动量关系.
[TPj48.TIF,BP][TS(1][JZ][HT5"H]图5[HT][TS)]
①实验中,直接测定小球碰撞前后的速度是不容易的.但是,可以通过仅测量(填选项前的序号),间接地解决这个问题.
A.小球开始释放高度h
B.小球抛出点距地面的高度H
C.小球做平抛运动的射程
②图5中O点是小球抛出点在地面上的垂直投影.实验时,先让入射球m1多次从斜轨上S位置静止释放,找到其平均落地点的位置P,测量平抛射程OP.然后,把被碰小球m2静止于轨道的水平部分,再将入射小球m1从斜轨上S位置静止释放,与小球m2相撞,并多次重复.
接下来要完成的必要步骤是(填选项的符号).
A.用天平测量两个小球的质量m1、m2
B.测量小球m1开始释放高度h
C.测量抛出点距地面的高度H
D.分别找到m1、m2相碰后平均落地点的位置M、N
E.测量平抛射程OM,ON
③若两球相碰前后的动量守恒,其表达式可表示为(用②中测量的量表示);
若碰撞是弹性碰撞,那么还应满足的表达式为(用②中测量的量表示).
④经测定,m1等于45.0g,m2等于7.5g,小球落地点的平均位置距O点的距离如图6所示.
选修论文参考资料:
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