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动量守恒定律是有条件的,应用时一定要首先判断系统是否满足守恒条件,一些同学盲目套用动量守恒定律,可能导致错误。要重视前期分析过程,○1合理选取系统,○2分析判断是否符合守恒的条件,○3仔细分析过程及受力,分清属于那种守恒条件。能够满足动量守恒定律的条件主要有三种情况。
一、系统在碰撞过程中不受外力或所受外力之和为零,动量严格守恒。
例1 如图1所示, 两物体质量分别为 、 ,且 > ,置于光滑水平面上,相距较远。将两个大小均为 的力,同时分别作用在 上,经相同时间后,撤去两个力,两物体发生碰撞并粘在一起后将
A.停止运动 B.向左运动
C.向右运动 D.运动方向不能确定
解析:选 为系统,整个运动过程及碰撞过程中,系统所受外力之和为零,因此系统整个过程动量守恒。由于初始状态两物块静止即总动量为零,所以碰后总动量也为零, 粘在一起,故停止运动,选A。
点评:两个大小相同的力,同时分别作用在 上,经过相同时间,虽然每个物块所受合力不为零,但将两个看成整体,所受外力之和为零,并且地面光滑,系统动量严格守恒。
二、系统碰撞过程时间极短,内力远大于外力,则认为系统在碰撞过程中动量守恒。
例2一轻质细绳一端系一质量为m=0.05kg的小球A,另一端挂在光滑水平轴O上,O到小球的距离为L=0.1m,小球跟水平面接触,但无相互作用,在球的两侧等距离处分别固定一个光滑的斜面和一个挡板,如图2所示,水平距离s=2m,动摩擦因数为μ=0.25。现有一滑块B,质量也为m,从斜面上滑下,与小球发生弹性正碰,与挡板碰撞时不损失机械能且碰撞时间极短。若不计空气阻力,并将滑块和小球都视为质点,g取10m/s2,试问:
(1)若滑块B从斜面某一高度h处滑下与小球第一次碰撞后,使小球恰好在竖直平面内做圆周运动,求此高度h;
(2)若滑块B从 处滑下,求滑块B与小球第一次碰后瞬间绳子对小球的拉力;
(3)若滑块B从 处下滑与小球碰撞后,小球在竖直平面内做圆周运动,求小球做完整圆周运动的次数。
解析:(1)小球刚能完成一次完整的圆周运动,它到最高点的速度为 ,在最高点,仅有重力充当向心力,则 在小球从最低点运动到最高点的过程中,机械能守恒,并设小球在最低点速度为 ,则
滑块从h高处运动到将与小球碰撞时速度为 ,
滑块和小球碰撞,动量守恒、动能守恒,设滑块与小球碰后速度为 则有
,联立两式解得, ,
对滑块由能的转化及守恒定律有 ,
解上式有 。
(2)若滑块从 处下滑到将要与小球碰撞时速度为u,同理有
解得,
滑块与小球碰后的瞬间,同理滑块静止,小球以 的速度开始作圆周运动,绳的拉力T和重力的合力充当向心力,则有 ④
解④式得T=48N ;
(3)滑块和小球最后一次碰撞时速度至少为 ,滑块最后停在水平面上,它通过的路程为 ,同理有⑤
小球做完整圆周运动的次数为 ⑥
联立⑤⑥解得 ,n=10次。
点评:滑块和小球碰撞瞬间受到地面的摩擦力,但题中表明碰撞时间极短,说明内力远大于外力,认为系统在碰撞过程中动量守恒。
三、系统在某一方向不受外力或所受外力之和为零,或内力远大于外力,则系统在该方向动量守恒。
例3如图3所示,小车的刚性支架上固定一条刚性的轨道 ,轨道的左边是水平的,右边倾斜与水平面夹角为 ,两边通过一小段圆弧相连,小车、支架和轨道的总质量为 ,轨道 、 两点间的高度差为 。在轨道的最左边套一个质量为 的物块 ,开始小车和物块一起以速度 沿光滑的水平面向右匀速运动,当小车与墙壁碰撞后,小车立即以 的速度弹回,物块 开始沿着轨道滑行,当物块从轨道的 点滑出时,小车的速度刚好为零。求:
(1)小车与墙壁碰撞时,墙壁对小车的冲量;
(2)物块 从 点滑出时的速度;
(3)物块滑动过程中,轨道对物块做的功;
(4)物块滑动过程中,系统减少的机械能。( )
解析:(1)对小车由动量定理得 ,方向向左;
(2)整个系统碰撞前后动量守恒,则 ,而 , 与水平方向成 ,方向斜向右下方;
(3)对物块 由动能定理得 ,解得 ;
(4)根据能量守恒得
点评;物块从轨道滑下时,除物块与轨道之间的内力外,物块还受到重力作用,系统所受外力之和不为零,但注意到水平方向所受外力之和为零,因此系统水平动量守恒。
责任主编李婷婷
一、系统在碰撞过程中不受外力或所受外力之和为零,动量严格守恒。
例1 如图1所示, 两物体质量分别为 、 ,且 > ,置于光滑水平面上,相距较远。将两个大小均为 的力,同时分别作用在 上,经相同时间后,撤去两个力,两物体发生碰撞并粘在一起后将
A.停止运动 B.向左运动
C.向右运动 D.运动方向不能确定
解析:选 为系统,整个运动过程及碰撞过程中,系统所受外力之和为零,因此系统整个过程动量守恒。由于初始状态两物块静止即总动量为零,所以碰后总动量也为零, 粘在一起,故停止运动,选A。
点评:两个大小相同的力,同时分别作用在 上,经过相同时间,虽然每个物块所受合力不为零,但将两个看成整体,所受外力之和为零,并且地面光滑,系统动量严格守恒。
二、系统碰撞过程时间极短,内力远大于外力,则认为系统在碰撞过程中动量守恒。
例2一轻质细绳一端系一质量为m=0.05kg的小球A,另一端挂在光滑水平轴O上,O到小球的距离为L=0.1m,小球跟水平面接触,但无相互作用,在球的两侧等距离处分别固定一个光滑的斜面和一个挡板,如图2所示,水平距离s=2m,动摩擦因数为μ=0.25。现有一滑块B,质量也为m,从斜面上滑下,与小球发生弹性正碰,与挡板碰撞时不损失机械能且碰撞时间极短。若不计空气阻力,并将滑块和小球都视为质点,g取10m/s2,试问:
(1)若滑块B从斜面某一高度h处滑下与小球第一次碰撞后,使小球恰好在竖直平面内做圆周运动,求此高度h;
(2)若滑块B从 处滑下,求滑块B与小球第一次碰后瞬间绳子对小球的拉力;
(3)若滑块B从 处下滑与小球碰撞后,小球在竖直平面内做圆周运动,求小球做完整圆周运动的次数。
解析:(1)小球刚能完成一次完整的圆周运动,它到最高点的速度为 ,在最高点,仅有重力充当向心力,则 在小球从最低点运动到最高点的过程中,机械能守恒,并设小球在最低点速度为 ,则
滑块从h高处运动到将与小球碰撞时速度为 ,
滑块和小球碰撞,动量守恒、动能守恒,设滑块与小球碰后速度为 则有
,联立两式解得, ,
对滑块由能的转化及守恒定律有 ,
解上式有 。
(2)若滑块从 处下滑到将要与小球碰撞时速度为u,同理有
解得,
滑块与小球碰后的瞬间,同理滑块静止,小球以 的速度开始作圆周运动,绳的拉力T和重力的合力充当向心力,则有 ④
解④式得T=48N ;
(3)滑块和小球最后一次碰撞时速度至少为 ,滑块最后停在水平面上,它通过的路程为 ,同理有⑤
小球做完整圆周运动的次数为 ⑥
联立⑤⑥解得 ,n=10次。
点评:滑块和小球碰撞瞬间受到地面的摩擦力,但题中表明碰撞时间极短,说明内力远大于外力,认为系统在碰撞过程中动量守恒。
三、系统在某一方向不受外力或所受外力之和为零,或内力远大于外力,则系统在该方向动量守恒。
例3如图3所示,小车的刚性支架上固定一条刚性的轨道 ,轨道的左边是水平的,右边倾斜与水平面夹角为 ,两边通过一小段圆弧相连,小车、支架和轨道的总质量为 ,轨道 、 两点间的高度差为 。在轨道的最左边套一个质量为 的物块 ,开始小车和物块一起以速度 沿光滑的水平面向右匀速运动,当小车与墙壁碰撞后,小车立即以 的速度弹回,物块 开始沿着轨道滑行,当物块从轨道的 点滑出时,小车的速度刚好为零。求:
(1)小车与墙壁碰撞时,墙壁对小车的冲量;
(2)物块 从 点滑出时的速度;
(3)物块滑动过程中,轨道对物块做的功;
(4)物块滑动过程中,系统减少的机械能。( )
解析:(1)对小车由动量定理得 ,方向向左;
(2)整个系统碰撞前后动量守恒,则 ,而 , 与水平方向成 ,方向斜向右下方;
(3)对物块 由动能定理得 ,解得 ;
(4)根据能量守恒得
点评;物块从轨道滑下时,除物块与轨道之间的内力外,物块还受到重力作用,系统所受外力之和不为零,但注意到水平方向所受外力之和为零,因此系统水平动量守恒。
责任主编李婷婷