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动量守恒定律是有条件的,动量守恒条件分为三个层次: (1)系统所受合外力为零; (2)系统所受合外力虽然不为零,但在某方向合外力为零,则系统在该方向动量守恒; (3)系统所受合外力远远小于内力,则系统动量近似守恒.对于不同情况,应根据不同的条件去分析.在上述三种情况下,都可以应用动量守恒定律求解相应物理量.解题时,如果不注意这几点很容易导致错误,下面举例分析.
图1
例1 一绳跨过定滑轮,两端分别栓有质量为M1,M2的物块(M2>M1如图1),M2开始是静止于地面上,当M1自由下落H距离后,绳子才被拉紧,求绳子刚被拉紧时两物块的速度 .
错解: M1自由下落H距离时,速度v1=2gH.在M1和M2组成的系统中,它们相互作用前后的动量守恒.当绳子刚被拉紧时,设M1,M2的共同速度为v,
根据动量守恒定律,有M1v1=(M1+M2)v,将v1=
2gH代入得
v=M1M1+M2
2gH
错解原因: 实际上,上述结果是正确的,但在解题过程中,出现了两个错误.其一,没有认真分析绳子拉紧前后的动量守恒条件.实际上由M1,M2组成的系统除了受重力外,还要受到滑轮轴心竖直向上的支持力作用,而这个支持力不等于M1+M2的重力,所以系统所受合外力不为零.不能对整个系统应用动量守恒定律.其二,即使能应用动量守恒定律,也应认真考虑动量的方向性,M1的方向向下,而M2的方向向上,不能认为M1与M2系统的动量为(M1+M2)v.
正解: M1自由下落H距离时速度v1=
2gH①
绳子拉紧一小段时间Δt后,M1与M2具有相同的速率v,M1向下,M2向上.
对M1由动量定理,以向上为正方向:
(T1-M1g)Δt=M1v-(-M1v1) ②
对M2由动量定理,以向上为正方向:(T2-M2g)ΔL=M2v-0 ③
因为拉紧过程绳子的拉力远远大于物体的重力,可以认为T1=T2,所
以联立①②③解得,v=M1M1+M22gH.
图2
例2 如图2所示,甲、乙两小孩各乘一辆冰车在水平冰面上游戏.甲和他的冰车总质量共为30 kg,乙和他的冰车总质量也是30 kg.游戏时,甲推着一个质量为15 kg的箱子和他一起以2 m/s的速度滑行,乙以同样大小的速度迎面滑来.为了避免相撞,甲突然将箱子滑冰面推给乙,箱子滑到乙处,乙迅速抓住.若不计冰面摩擦,求甲至少以多大速度(相对地)将箱子推出,才能避免与乙相撞?
错解:设甲与他的冰车以及乙与他的冰车的质量为M,箱子的质量为m,开始时他们的速率为v0,为了不与乙相碰.乙接到箱子后停下,所以,对箱子及乙和他的冰车,接到箱子前后动量守恒,设箱子的运动方向为正方向,由动量守恒定律有:mv-Mv0=0解得v=4 m/s.
错解原因:在此题中,有两个关键问题必须弄清楚,第一,“不相撞”的意义,是否意味着一个物体停下,实际上,不相撞的意义就是两个物体的速度相等(同向情况).物体停止运动,也不一定就撞不上.第二个关键在于不仅要不相撞,而且还要求甲推箱子的速度为最小,即若甲用相当大的速度推箱子,乙接到箱子后还会后退,这样就不满足“至少”多大的条件了.
正解:要想刚好避免相撞,要求乙抓住箱子后与甲的速度正好相等,设甲推出箱子后的速度为v1,箱子的速度为v,乙抓住箱子后的速度为v2.
对甲和箱子,推箱子前后动量守恒,以初速度方向为正:
(M+m)v0=mv+Mv1①
对乙和箱子抓住箱子前后动量守恒,箱子初速方向为正:
mv-Mv0=(m+M)v2 ②
刚好不相撞的条件是:v1=v ③
联立①②③得:v=5.2 m/s,方向与甲和箱子初速一致.
通过对这些问题的分析与解答,我们可以从中得到两点警示.一是运用物理规律时一定要注意规律的适用条件,这一点要从题目所述的物理过程的特点出发进行分析,而不能“以貌取人”,一看到两物体间相互作用,就盲目地套用动量守恒定律.二是应用动量守恒定律时,要注意此规律的矢量性,即要考虑到系统内物体运动的方向.总之,要避免这些错误,就应该在解题时,紧紧扣住应用动量守恒的这三个条件.
图1
例1 一绳跨过定滑轮,两端分别栓有质量为M1,M2的物块(M2>M1如图1),M2开始是静止于地面上,当M1自由下落H距离后,绳子才被拉紧,求绳子刚被拉紧时两物块的速度 .
错解: M1自由下落H距离时,速度v1=2gH.在M1和M2组成的系统中,它们相互作用前后的动量守恒.当绳子刚被拉紧时,设M1,M2的共同速度为v,
根据动量守恒定律,有M1v1=(M1+M2)v,将v1=
2gH代入得
v=M1M1+M2
2gH
错解原因: 实际上,上述结果是正确的,但在解题过程中,出现了两个错误.其一,没有认真分析绳子拉紧前后的动量守恒条件.实际上由M1,M2组成的系统除了受重力外,还要受到滑轮轴心竖直向上的支持力作用,而这个支持力不等于M1+M2的重力,所以系统所受合外力不为零.不能对整个系统应用动量守恒定律.其二,即使能应用动量守恒定律,也应认真考虑动量的方向性,M1的方向向下,而M2的方向向上,不能认为M1与M2系统的动量为(M1+M2)v.
正解: M1自由下落H距离时速度v1=
2gH①
绳子拉紧一小段时间Δt后,M1与M2具有相同的速率v,M1向下,M2向上.
对M1由动量定理,以向上为正方向:
(T1-M1g)Δt=M1v-(-M1v1) ②
对M2由动量定理,以向上为正方向:(T2-M2g)ΔL=M2v-0 ③
因为拉紧过程绳子的拉力远远大于物体的重力,可以认为T1=T2,所
以联立①②③解得,v=M1M1+M22gH.
图2
例2 如图2所示,甲、乙两小孩各乘一辆冰车在水平冰面上游戏.甲和他的冰车总质量共为30 kg,乙和他的冰车总质量也是30 kg.游戏时,甲推着一个质量为15 kg的箱子和他一起以2 m/s的速度滑行,乙以同样大小的速度迎面滑来.为了避免相撞,甲突然将箱子滑冰面推给乙,箱子滑到乙处,乙迅速抓住.若不计冰面摩擦,求甲至少以多大速度(相对地)将箱子推出,才能避免与乙相撞?
错解:设甲与他的冰车以及乙与他的冰车的质量为M,箱子的质量为m,开始时他们的速率为v0,为了不与乙相碰.乙接到箱子后停下,所以,对箱子及乙和他的冰车,接到箱子前后动量守恒,设箱子的运动方向为正方向,由动量守恒定律有:mv-Mv0=0解得v=4 m/s.
错解原因:在此题中,有两个关键问题必须弄清楚,第一,“不相撞”的意义,是否意味着一个物体停下,实际上,不相撞的意义就是两个物体的速度相等(同向情况).物体停止运动,也不一定就撞不上.第二个关键在于不仅要不相撞,而且还要求甲推箱子的速度为最小,即若甲用相当大的速度推箱子,乙接到箱子后还会后退,这样就不满足“至少”多大的条件了.
正解:要想刚好避免相撞,要求乙抓住箱子后与甲的速度正好相等,设甲推出箱子后的速度为v1,箱子的速度为v,乙抓住箱子后的速度为v2.
对甲和箱子,推箱子前后动量守恒,以初速度方向为正:
(M+m)v0=mv+Mv1①
对乙和箱子抓住箱子前后动量守恒,箱子初速方向为正:
mv-Mv0=(m+M)v2 ②
刚好不相撞的条件是:v1=v ③
联立①②③得:v=5.2 m/s,方向与甲和箱子初速一致.
通过对这些问题的分析与解答,我们可以从中得到两点警示.一是运用物理规律时一定要注意规律的适用条件,这一点要从题目所述的物理过程的特点出发进行分析,而不能“以貌取人”,一看到两物体间相互作用,就盲目地套用动量守恒定律.二是应用动量守恒定律时,要注意此规律的矢量性,即要考虑到系统内物体运动的方向.总之,要避免这些错误,就应该在解题时,紧紧扣住应用动量守恒的这三个条件.