资源简介 3 动量守恒定律[学习目标] 1.了解系统、内力和外力的概念.2.理解动量守恒定律及其表达式,理解动量守恒条件.3.能用牛顿运动定律推导出动量守恒定律的表达式,了解动量守恒定律的普适性.4.能用动量守恒定律解决实际问题.一、相互作用的两个物体的动量改变如图1所示,质量为m2的B物体追上质量为m1的A物体,并发生碰撞,设A、B两物体碰前速度分别为v1、v2(v2>v1),碰后速度分别为v1′、v2′,碰撞时间很短,设为Δt.图1根据动量定理:对A:F1Δt=m1v1′-m1v1①对B:F2Δt=m2v2′-m2v2②由牛顿第三定律F1=-F2③由①②③得两物体总动量关系为:m1v1′+m2v2′=m1v1+m2v2二、动量守恒定律1.系统、内力与外力(1)系统:两个(或多个)相互作用的物体构成的整体叫作一个力学系统,简称系统.(2)内力:系统中物体间的作用力.(3)外力:系统以外的物体施加给系统内物体的力.2.动量守恒定律(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:m1v1+m2v2=m1v1′+m2v2′(作用前后总动量相等).(3)适用条件:系统不受外力或者所受外力的矢量和为零.(4)普适性:动量守恒定律既适用于低速物体,也适用于高速物体.既适用于宏观物体,也适用于微观物体.1.判断下列说法的正误.(1)一个系统初、末状态动量大小相等,即动量守恒.( × )(2)两个做匀速直线运动的物体发生碰撞瞬间,两个物体组成的系统动量守恒.( √ )(3)系统动量守恒也就是系统总动量变化量始终为零.( √ )(4)只要系统内存在摩擦力,动量就一定不守恒.( × )2.如图2所示,游乐场上,两位同学各驾驶一辆碰碰车迎面相撞,此后,两车以共同的速度运动.设甲同学和他的车的总质量为120kg,碰撞前水平向右运动,速度的大小为5m/s;乙同学和他的车的总质量为180kg,碰撞前水平向左运动,速度的大小为4m/s.则碰撞后两车共同的运动速度大小为________,方向________.图2答案 0.4m/s 水平向左解析 本题的研究对象为两辆碰碰车(包括驾车的同学)组成的系统,在碰撞过程中此系统的内力远远大于所受的外力,外力可以忽略不计,满足动量守恒定律的适用条件.设甲同学的车碰撞前的运动方向为正方向,他和车的总质量m1=120kg,碰撞前的速度v1=5m/s;乙同学和车的总质量m2=180kg,碰撞前的速度v2=-4m/s.设碰撞后两车的共同速度为v,则系统碰撞前的总动量为:p=m1v1+m2v2=120×5kg·m/s+180×(-4)kg·m/s=-120kg·m/s.碰撞后的总动量为p′=(m1+m2)v.根据动量守恒定律可知p=p′,代入数据解得v=-0.4m/s,即碰撞后两车以大小为0.4m/s的共同速度运动,运动方向水平向左.一、对动量守恒定律的理解1.研究对象:相互作用的物体组成的力学系统.2.动量守恒定律的成立条件(1)系统不受外力或所受合外力为零.(2)系统受外力作用,但内力远远大于合外力.此时动量近似守恒.(3)系统受到的合外力不为零,但在某一方向上合外力为零(或某一方向上内力远远大于外力),则系统在该方向上动量守恒.3.动量守恒定律的三个特性(1)矢量性:公式中的v1、v2、v1′和v2′都是矢量,只有它们在同一直线上,并先选定正方向,确定各速度的正、负(表示方向)后,才能用代数方法运算.(2)相对性:公式中的v1、v2、v1′和v2′应是相对同一参考系的速度,一般取相对地面的速度.(3)普适性:动量守恒定律不仅适用于两个物体组成的系统,也适用于多个物体组成的系统;不仅适用于低速宏观物体组成的系统,也适用于接近光速运动的微观粒子组成的系统.关于动量守恒的条件,下列说法正确的是( )A.只要系统内存在摩擦力,动量不可能守恒B.只要系统所受外力做的功为零,动量一定守恒C.只要系统所受合外力的冲量为零,动量一定守恒D.若系统中物体加速度不为零,动量一定不守恒答案 C解析 只要系统所受合外力为零,系统动量就守恒,与系统内是否存在摩擦力无关,故A错误;系统所受外力做的功为零,系统所受合外力不一定为零,系统动量不一定守恒,如用绳子拴着一个小球,让小球在水平面内做匀速圆周运动,小球转动的过程中,系统外力做功为零,但小球的动量不守恒,故B错误;力与力的作用时间的乘积是力的冲量,系统所受合外力的冲量为零,即合外力为零,则系统动量守恒,故C正确;碰撞过程,两个物体的加速度都不为零即合力都不为零,但系统的动量却守恒,故D错误.如图3所示,A、B两物体质量之比为mA∶mB=3∶2,原来静止在足够长的平板小车C上,A、B间有一根被压缩的弹簧,地面光滑.当两物体被同时释放后,则( )图3A.若A、B与平板车上表面间的动摩擦因数相同,则A、B组成系统的动量守恒B.若A、B与平板车上表面间的动摩擦因数不相同,则A、B、C组成系统的动量不守恒C.若A、B所受的摩擦力大小相等,则A、B组成系统的动量守恒D.若A、B所受的摩擦力大小不相等,则A、B、C组成系统的动量不守恒答案 C解析 若μA=μB,因mA∶mB=3∶2,故FfA∶FfB=3∶2,A、B组成的系统合外力不为零,所以A、B组成的系统动量不守恒,A项错误;当FfA=FfB时,A、B组成的系统合外力为零,动量守恒,C项正确;当把A、B、C作为系统时,由于地面光滑,故不论A、B与C之间摩擦力大小情况如何,系统受到的合外力均等于0,所以A、B、C组成的系统动量守恒,故B、D项错误.系统动量是否守恒的判定方法1.选定研究对象及研究过程,分清外力与内力.2.分析系统受到的外力矢量和是否为零,若外力矢量和为零,则系统动量守恒;若外力在某一方向上合力为零,则在该方向上系统动量守恒.系统动量严格守恒的情况很少,在分析具体问题时要注意把实际过程理想化.3.多个物体情况下,选取不同的物体组成系统,会得出不同的结论.二、动量守恒定律的应用1.动量守恒定律的常用表达式(1)p=p′:相互作用前系统的总动量p等于相互作用后的总动量p′.(2)m1v1+m2v2=m1v1′+m2v2′:相互作用的两个物体组成的系统,作用前动量的矢量和等于作用后动量的矢量和.(3)Δp1=-Δp2:相互作用的两个物体组成的系统,一个物体的动量变化量与另一个物体的动量变化量大小相等、方向相反.(4)Δp=0:系统总动量增量为零.2.应用动量守恒定律解题的步骤如图4所示,A、B两个大小相同、质量不等的小球放在光滑水平地面上,A以3m/s的速率向右运动,B以1m/s的速率向左运动,发生正碰后A、B两小球都以2m/s的速率反弹,求A、B两小球的质量之比.图4答案 3∶5解析 取水平向右为正方向,则有vA=3m/s,vB=-1m/svA′=-2m/s,vB′=2m/s根据动量守恒定律得mAvA+mBvB=mAvA′+mBvB′代入数据解得:mA∶mB=3∶5.针对训练 一辆平板车沿光滑水平面运动,车的质量m=20kg,运动速度v0=4m/s,求下列情况下车稳定后的速度大小:(1)一个质量m′=2kg的沙包从5m高处落入车内;(2)将一个质量m′=2kg的沙包以5m/s的速度迎面扔入车内.答案 见解析解析 (1)竖直下落的沙包在水平方向上速度为零,动量为零,系统在水平方向上动量守恒,取v0的方向为正方向,由动量守恒定律得mv0=(m+m′)v′,解得v′=m/s.(2)取v0的方向为正方向,由动量守恒定律得mv0-m′v=(m+m′)v″解得v″=m/s.将两个完全相同的磁铁(磁性极强)分别固定在质量相等的小车上,水平面光滑.开始时甲车速度大小为3m/s,方向向右,乙车速度大小为2m/s,方向向左并与甲车速度方向在同一直线上,如图5所示.图5(1)当乙车速度为零时,甲车的速度多大?方向如何?(2)由于磁性极强,故两车不会相碰,那么两车的距离最近时,乙车的速度是多大?方向如何?答案 (1)1m/s 方向向右(2)0.5m/s 方向向右解析 两个小车及磁铁组成的系统在水平方向不受外力作用,两车之间的磁力是系统内力,系统动量守恒,设向右为正方向.(1)v甲=3m/s,v乙=-2m/s.根据动量守恒定律得:mv甲+mv乙=mv甲′,代入数据解得v甲′=v甲+v乙=(3-2)m/s=1m/s,方向向右.(2)两车的距离最近时,两车速度相同,设为v′,由动量守恒定律得:mv甲+mv乙=mv′+mv′.解得v′===m/s=0.5m/s,方向向右.1.(动量守恒的判断)图6所反映的物理过程中,系统动量守恒的是( )图6A.只有甲和乙B.只有丙和丁C.只有甲和丙D.只有乙和丁答案 C解析 题图甲中,在光滑水平面上,子弹水平射入木块的过程中,子弹和木块组成的系统动量守恒.题图丙中两球匀速下降,说明两球组成的系统在竖直方向上所受的合外力为零,细线断裂后,两球组成的系统动量守恒,它们在水中运动的过程中,两球整体受力情况不变,遵循动量守恒定律.题图乙中系统受到墙的弹力作用,题图丁中斜面是固定的,题图乙、丁所示过程系统所受合外力不为零,动量不守恒,故只有题图甲、丙系统动量守恒,故C正确.2.(动量守恒定律的理解)(2021·梁集中学高二第一次调研)我国女子短道速滑队在世锦赛上实现女子3000m接力三连冠.如图7所示,观察发现,“接棒”的运动员甲提前站在“交棒”的运动员乙前面,并且开始向前滑行,待乙追上甲时,乙猛推甲一把,使甲获得更大的速度向前冲出.在乙推甲的过程中,忽略运动员与冰面间在水平方向上的相互作用,则( )图7A.甲对乙的冲量一定与乙对甲的冲量相同B.相互作用的过程中甲与乙组成的系统满足机械能守恒定律C.相互作用的过程中甲与乙组成的系统满足动量守恒定律D.甲、乙的动量变化量一定相同答案 C解析 甲对乙的作用力与乙对甲的作用力等大反向,它们的冲量也等大反向,故A错误.由于乙推甲的过程,其他形式的能转化为机械能,故机械能不守恒,B错误.甲、乙相互作用的过程,系统水平方向不受外力的作用,竖直方向所受合外力为零,故系统的动量守恒,此过程甲的动量增大,乙的动量减小,二者动量的变化量大小相等、方向相反,故C正确,D错误.3.(动量守恒定律的应用)如图8所示,放在光滑水平面上的两物体,它们之间有一个被压缩的轻质弹簧,用细线把它们拴住.已知两物体静止且质量之比为m1∶m2=2∶1,把细线烧断后,两物体被弹开,速度大小分别为v1和v2,动能大小分别为Ek1和Ek2,则下列判断正确的是( )图8A.弹开时,v1∶v2=1∶1B.弹开时,v1∶v2=2∶1C.弹开时,Ek1∶Ek2=2∶1D.弹开时,Ek1∶Ek2=1∶2答案 D解析 两物体与弹簧组成的系统所受合外力为零,根据动量守恒定律知,m1v1-m2v2=0,所以v1∶v2=m2∶m1=1∶2,选项A、B错误;由Ek=得,Ek1∶Ek2=m2∶m1=1∶2,选项C错误,D正确.4.(动量守恒定律的应用)某同学质量为60kg,在军事训练中要求他从岸上以大小为2m/s的速度跳到一条向他缓缓漂来的小船上,然后去执行任务,小船的质量是140kg,原来的速度大小是0.5m/s,该同学上船后又跑了几步,最终停在船上(船未与岸相撞),不计水的阻力,求:(1)人跳上船后,船的最终速度;(2)船的动量变化量.答案 见解析解析 (1)规定该同学原来的速度方向为正方向.设该同学上船后,船与该同学的共同速度为v.该同学跳上小船后与小船达到共同速度的过程,该同学和船组成的系统所受合外力为零,系统的动量守恒,则由动量守恒定律得m人v人-m船v船=(m人+m船)v,代入数据解得v=0.25m/s,方向与该同学原来的速度方向相同;(2)船的动量变化量为Δp′=m船v-m船(-v船)=140×[0.25-(-0.5)]kg·m/s=105kg·m/s,方向与该同学原来的速度方向相同.考点一 对动量守恒条件的理解1.如图1所示,两带电的金属球在绝缘的光滑水平面上沿同一直线相向运动,A所带电荷量为-q,B所带电荷量为+2q,下列说法正确的是( )图1A.相碰前两球运动中动量不守恒B.相碰前两球的总动量随距离的减小而增大C.两球相碰分离后的总动量不等于相碰前的总动量,因为碰前作用力为引力,碰后为斥力D.两球相碰分离后的总动量等于相碰前的总动量,因为两球组成的系统所受合外力为零答案 D解析 将两球看成整体分析,整体受重力、支持力,水平方向不受外力,故整体系统动量守恒,所以两球相碰前的总动量守恒,两球相碰分离后的总动量等于碰前的总动量.故选D.2.如图2所示,小车静止放在光滑的水平面上,将系着轻绳的小球拉开一定的角度,然后同时放开小球和小车,不计空气阻力,那么在以后的过程中( )图2A.小球向左摆动时,小车也向左运动,且系统动量守恒B.小球向左摆动时,小车向右运动,且系统动量守恒C.小球向左摆到最高点,小球的速度为零而小车的速度不为零D.在任意时刻,小球和小车在水平方向上的动量一定大小相等、方向相反(或者都为零)答案 D解析 以小球和小车组成的系统为研究对象,在水平方向上不受外力的作用,所以系统在水平方向上动量守恒.由于初始状态小车与小球均静止,所以小球与小车在水平方向上的动量要么都为零,要么大小相等、方向相反,所以A、B、C错误,D正确.3.(2021·防城港市防城中学期中)如图3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,则下列说法中正确的是( )图3A.从子弹开始射入木块到弹簧压缩至最短的全过程中,子弹与木块组成的系统动量守恒B.子弹射入木块的短暂过程中,子弹与木块组成的系统动量守恒C.从子弹开始射入木块到弹簧压缩至最短的全过程中,子弹、木块和弹簧组成的系统动量守恒D.若水平桌面粗糙,子弹射入木块的短暂过程中,子弹与木块组成的系统动量不守恒答案 B解析 从子弹开始射入木块到弹簧压缩至最短的全过程中,由于弹簧对子弹和木块组成的系统有力的作用,所以子弹与木块组成的系统动量不守恒,子弹、木块和弹簧组成的系统由于受到墙壁的弹力作用,动量不守恒,故A、C错误;子弹射入木块瞬间,弹簧仍保持原长,子弹和木块组成的系统所受合外力为零,所以系统动量守恒,故B正确;若水平桌面粗糙,子弹射入木块的短暂过程中,由于内力远远大于外力,所以子弹与木块组成的系统动量守恒,故D错误.考点二 动量守恒定律的应用4.如图4所示,一平板车停在光滑的水平面上,某同学站在小车上,若他设计下列操作方案,最终能使平板车持续地向右驶去的是( )图4A.该同学在图示位置用大锤连续敲打车的左端B.只要从平板车的一端走到另一端即可C.在车上装个电风扇,不停地向左吹风D.他站在车的右端将大锤丢到车的左端答案 C解析 把人和车看成整体,用大锤连续敲打车的左端,根据动量守恒定律可以知道,系统的总动量为零,车不会持续地向右驶去,故A错误;人从平板车的一端走到另一端的过程中,系统水平方向不受外力,动量守恒,系统总动量为零,车不会持续地向右驶去,故B错误;电风扇向左吹风,电风扇会受到一个向右的反作用力,从而使平板车持续地向右驶去,故C正确;站在车的右端将大锤丢到车的左端的过程中,系统水平方向不受外力,动量守恒,系统总动量为零,车不会持续地向右驶去,故D错误.5.(2020·福州十一中高二下期中)如图5所示,光滑水平面上有一辆质量为4m的小车,车上左、右两端分别站着甲、乙两人,他们的质量都是m,开始时两个人和车一起以速度v0向右匀速运动.某一时刻,站在车右端的乙先以相对地面向右的速度v跳离小车,然后站在车左端的甲以相对于地面向左的速度v跳离小车.两人都离开小车后,小车的速度将是( )图5A.1.5v0B.v0C.大于v0,小于1.5v0D.大于1.5v0答案 A解析 两人和车组成的系统开始时动量为6mv0,方向向右.当甲、乙两人先后以相对地面大小相等的速度向两个方向跳离时,甲、乙两人动量的矢量和为零,则有6mv0=4mv车,解得v车=1.5v0,A正确.6.如图6所示,光滑的水平面上有大小相同、质量不等的小球A、B,小球A以速度v0向右运动时与静止的小球B发生碰撞,碰后A球速度反向,大小为,B球的速率为,A、B两球的质量之比为( )图6A.3∶8B.8∶3C.2∶5D.5∶2答案 C解析 以A、B两球组成的系统为研究对象,两球碰撞过程动量守恒,以v0的方向为正方向,由动量守恒定律得:mAv0=mA(-)+mB·,解得两球的质量之比=,故C正确.7.如图7所示,一个质量为M的木箱静止在光滑水平面上,木箱内粗糙的水平底板上放着一个质量为m的小木块.现使木箱获得一个向右的初速度v0,则( )图7A.小木块和木箱最终都将静止B.小木块和木箱最终速度为v0C.小木块与木箱内壁将始终来回往复碰撞,而木箱一直向右运动D.如果小木块与木箱的左壁碰撞后相对木箱静止,则二者将一起向左运动答案 B解析 木箱与小木块组成的系统水平方向不受外力,故系统水平方向动量守恒,最终两个物体以相同的速度一起向右运动,取v0的方向为正方向,由动量守恒定律:Mv0=(M+m)v,解得:v=,B正确,A、C、D错误.8.质量为M的木块在光滑水平面上以速度v1水平向右运动,质量为m的子弹以速度v2水平向左射入木块,要使木块停下来,必须使发射子弹的数目为(子弹留在木块中不穿出)( )A.B.C.D.答案 C解析 设发射子弹的数目为n,n颗子弹和木块组成的系统在水平方向上所受的合外力为零,满足动量守恒的条件.选子弹运动的方向为正方向,由动量守恒定律有:nmv2-Mv1=0,得n=,故C正确.9.如图8所示,在光滑水平地面上有A、B两个木块,A、B之间用一轻弹簧连接.A靠在墙壁上,用力F向左推B使两木块之间的弹簧压缩并处于静止状态.若突然撤去力F,则下列说法中正确的是( )图8A.木块A离开墙壁前,A、B和弹簧组成的系统动量守恒,机械能也守恒B.木块A离开墙壁前,A、B和弹簧组成的系统动量不守恒,机械能也不守恒C.木块A离开墙壁后,A、B和弹簧组成的系统动量守恒,机械能也守恒D.木块A离开墙壁后,A、B和弹簧组成的系统动量守恒,但机械能不守恒答案 C解析 若突然撤去力F,木块A离开墙壁前,墙壁对木块A有作用力,所以A、B和弹簧组成的系统动量不守恒,但由于A没有离开墙壁,墙壁对木块A不做功,所以A、B和弹簧组成的系统机械能守恒,选项A、B错误;木块A离开墙壁后,A、B和弹簧组成的系统所受合外力为零,所以系统动量守恒且机械能守恒,选项C正确,D错误.10.A、B两球之间压缩一根轻弹簧(不拴接),静置于光滑水平桌面上,已知A、B两球的质量分别为2m和m.当用板挡住A球而只释放B球时,B球被弹出落于距桌边水平距离为x的地面上,B球离开桌面时已与弹簧分离,如图9所示.若以同样的程度压缩弹簧,取走A左边的挡板,将A、B同时释放,则B球的落地点距离桌边的水平距离为( )图9A.B.xC.xD.x答案 D解析 当用板挡住A球而只释放B球时,根据能量守恒定律有弹簧的弹性势能Ep=mv02,根据平抛运动规律有x=v0t.当以同样的程度压缩弹簧,取走A左边的挡板,将A、B同时释放,设A、B的水平速度大小分别为vA和vB,规定向左为正方向,则根据动量守恒定律和能量守恒定律有2mvA-mvB=0,Ep=×2mvA2+mvB2,解得vB=v0,B球的落地点距离桌边的水平距离为x′=vBt=x,D选项正确.11.一辆质量m1=3.0×103kg的小货车因故障停在车道上,后面一辆质量m2=1.5×103kg的轿车来不及刹车,直接撞入货车尾部失去动力.相撞后两车一起沿轿车运动方向滑行了s=6.75m停下.已知两车车轮与路面间的动摩擦因数均为μ=0.6,求碰撞前轿车的速度大小.(重力加速度取g=10m/s2)答案 27m/s解析 以轿车运动方向为正方向,由动量守恒定律得m2v0=(m1+m2)v碰撞后共同滑行过程中,由动能定理得-μ(m1+m2)gs=0-(m1+m2)v2,解得v=9m/s,则v0=v=27m/s.12.(2020·四川省泸县第一中学月考)如图10所示,在光滑水平面上,有一质量M=3kg的薄板,板上有质量m=1kg的物块,两者以大小为v0=4m/s的初速度朝相反方向运动,薄板与物块之间存在摩擦且薄板足够长,取水平向右为正方向,求:图10(1)物块最后的速度;(2)当物块的速度大小为3m/s时,薄板的速度.答案 (1)2m/s,方向水平向右 (2)m/s,方向水平向右解析 (1)由于水平面光滑,物块与薄板组成的系统动量守恒,设共同运动速度大小为v,由动量守恒定律得Mv0-mv0=(m+M)v代入数据解得v=2m/s,方向水平向右.(2)由(1)知,物块速度大小为3m/s时,方向向左,由动量守恒定律得Mv0-mv0=-mv1+Mv′代入数据解得v′=m/s,方向水平向右.13.如图11所示,在光滑水平面上,使滑块A以2m/s的速度向右运动,滑块B以4m/s的速度向左运动并与滑块A发生相互作用,已知滑块A、B的质量分别为1kg、2kg,滑块B的左侧连有水平轻弹簧,求:图11(1)当滑块A的速度减为0时,滑块B的速度大小;(2)两滑块相距最近时,滑块B的速度大小;(3)弹簧弹性势能的最大值.答案 (1)3m/s (2)2m/s (3)12J解析 (1)A、B与轻弹簧组成的系统所受合外力为零,系统动量守恒.当滑块A的速度减为0时,滑块B的速度为vB′,以向右为正方向,由动量守恒定律得:mAvA+mBvB=mBvB′解得vB′=-3m/s,故滑块B的速度大小为3m/s,方向向左;(2)两滑块相距最近时速度相同,设此速度为v.根据动量守恒得:mAvA+mBvB=(mA+mB)v,解得:v=-2m/s,故滑块B的速度大小为2m/s,方向向左;(3)两个滑块的速度相同时,弹簧压缩至最短,弹性势能最大,根据系统的机械能守恒知,弹簧的最大弹性势能为:Epm=mAvA2+mBvB2-(mA+mB)v2解得:Epm=12J. 展开更多...... 收起↑ 资源预览