推荐学习K12人教版高中物理选修3-5学案:第十六章学案4碰撞

发布时间:2019-06-03 21:16:10   来源:文档文库   
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4 碰撞

[学习目标] 1.理解弹性碰撞、非弹性碰撞,正碰(对心碰撞)和斜碰(非对心碰撞).2.会应用动量、能量的观点综合分析、解决一维碰撞问题.3.知道散射和中子的发现过程,体会理论对实践的指导作用,进一步了解动量守恒定律的普适性.

一、弹性碰撞和非弹性碰撞

[导学探究] 

(1)1中大家正在玩一种游戏——超级碰撞球.多颗篮球般大小的钢球用钢缆悬挂在屋顶.拉开最右边钢球到某一高度,然后释放,碰撞后,仅最左边的球被弹起,摆至最大高度后落下来再次碰撞,致使最右边钢球又被弹起.硕大钢球交替弹开,周而复始,情景蔚为壮观.上述现象如何解释?

1

(2)如图2所示,钢球AB包上橡皮泥,让A与静止的B相碰,两钢球(包括橡皮泥)质量相等.碰撞后有什么现象?碰撞过程中机械能守恒吗?请计算说明.

2

答案 (1)质量相等的两物体发生弹性正碰,碰后二者交换速度.

(2)碰撞后两球粘在一起,摆起高度减小.

设碰后两球粘在一起的速度为v

由动量守恒定律知:mv2mv,则v

碰撞前总动能Ekmv2

碰撞后总动能Ek×2m()2mv2

所以碰撞过程中机械能减少

ΔEkEkEkmv2

即碰撞过程中机械能不守恒.

[知识梳理] 弹性碰撞和非弹性碰撞的特点和规律

(1)碰撞特点:碰撞时间非常短;碰撞过程中内力远大于外力,系统所受外力可以忽略不计;可认为碰撞前后物体处于同一位置.

(2)弹性碰撞

定义:如果碰撞过程中机械能守恒,这样的碰撞叫做弹性碰撞.

规律:

动量守恒:m1v1m2v2m1v1m2v2

机械能守恒: m1vm2vm1v12m2v22

(3)非弹性碰撞

定义:如果碰撞过程中机械能不守恒,这样的碰撞叫做非弹性碰撞.

规律:动量守恒:m1v1m2v2m1v1m2v2

机械能减少,损失的机械能转化为内能

Ek|EkEkQ

完全非弹性碰撞

动量守恒:m1v1m2v2(m1m2)v

碰撞中机械能损失最多

Ek|m1vm2v (m1m2)v.

[即学即用] 

如图3,光滑水平地面上有三个物块ABC,它们具有相同的质量,且位于同一直线上.开始时,三个物块均静止.先让A以一定速度与B碰撞,碰后它们粘在一起,然后又一起与C碰撞并粘在一起.求前后两次碰撞中损失的动能之比为________

3

答案 31

解析 设三个物块ABC的质量均为mAB碰撞前A的速度为v,碰撞后的速度为v1ABC碰撞后的共同速度为v2.由动量守恒定律得

mv2mv1

mv3mv2

设第一次碰撞中的动能损失为ΔE1,第二次碰撞中的动能损失为ΔE2,由能量守恒定律得

mv2 (2m)vΔE1

(2m)v (3m)vΔE2

联立以上四式解得ΔE1ΔE231.

二、对心碰撞和非对心碰撞、散射

[导学探究] 

如图4所示为打台球的情景,质量相等的母球与目标球发生碰撞,有时碰后目标球的运动方向在碰前两球的球心连线上,有时不在连线上,这是什么原因?两个小球碰撞时一定交换速度吗?

4

答案 有时发生的是对心碰撞,有时发生的是非对心碰撞.不一定,只有质量相等的两个物体发生一维弹性碰撞时,系统的总动量守恒,总动能守恒,才会交换速度,否则不会交换速度.

[知识梳理] 对心碰撞、非对心碰撞和散射的理解

(1)正碰(对心碰撞):一个运动的球与一个静止的球碰撞,碰撞之前球的运动速度与两球心的连线在同一条直线上,碰撞之后两个球的速度仍会沿着这条直线.

(2)斜碰(非对心碰撞):一个运动的球与一个静止的球碰撞,如果碰撞之前球的运动速度与两球心的连线不在同一条直线上,碰撞之后两球的速度都会偏离原来两球心的连线.

(3)散射:微观粒子相互接近时并不像宏观物体那样接触,因此微观粒子的碰撞又叫做散射;发生散射时仍遵循动量守恒定律.

[即学即用] (多选)对碰撞和散射的理解正确的是(  )

A.两小球在光滑水平面上碰撞后粘在一起,因而不满足动量守恒定律

B.在系统所受合外力为零的条件下,正碰满足动量守恒定律,斜碰不满足动量守恒定律

C.微观粒子碰撞时并不接触,但仍属于碰撞

D.微观粒子碰撞时虽不接触,但仍满足动量守恒定律

答案 CD

解析 两小球在光滑水平面上的碰撞,小球相互作用时间很短,内力远大于外力,虽然粘在一起但系统的动量仍然守恒,故A错.正碰、斜碰都满足动量守恒定律,故B错.微观粒子在碰撞时虽然并不接触,但它具备碰撞的特点,即作用时间很短,作用力很大,运动状态变化明显,仍属于碰撞,并满足动量守恒定律,CD正确.

一、弹性碰撞模型及拓展分析

1 在光滑的水平面上,质量为m1的小球A以速率v0向右运动.在小球的前方O点处有一质量为m2的小球B处于静止状态,如图5所示.小球A与小球B发生正碰后小球AB均向右运动.小球B被在Q点处的墙壁弹回后与小球AP点相遇,PQ1.5PO.假设小球间的碰撞及小球与墙壁之间的碰撞都是弹性碰撞,求两小球质量之比.

5

解析 从两小球碰撞后到它们再次相遇,小球AB的速度大小保持不变,根据它们通过的路程,可知小球B和小球A在碰撞后的速度大小之比为41

两球碰撞过程为弹性碰撞,有:m1v0m1v1m2v2

m1vm1vm2v

解得2.

答案 2

总结提升

1弹性碰撞遵循的规律:碰撞前后两物体动量守恒,动能守恒.

2.弹性碰撞模型特例:一动碰一静模型.

两质量分别为m1m2的小球发生弹性正碰,v10v20,则有m1v1m1v1m2v2

m1vm1v12m2v22

得:v1v1v2v1

(1)m1m2的两球发生弹性正碰,v10v20,则碰后v10v2v1,即二者碰后交换速度.

(2)m1m2v10v20,则二者弹性正碰后,v1v1v22v1.表明m1的速度不变,m22v1的速度被撞出去.

(3)m1m2v10v20,则二者弹性正碰后,v1=-v1v20.表明m1被反向以原速率弹回,而m2仍静止.

2 (多选)质量为M的带有光滑圆弧轨道的小车静止置于光滑水平面上,如图6所示,一质量也为M的小球以速度v0水平冲上小车,到达某一高度后,小球又返回小车的左端,则(  )

6

A.小球以后将向左做平抛运动

B.小球将做自由落体运动

C.此过程小球对小车做的功为Mv

D.小球在弧形槽上上升的最大高度为

解析 小球上升到最高点时与小车相对静止,有相同的速度v,由动量守恒定律和机械能守恒定律有:

Mv02Mv

Mv2×(Mv2)Mgh

联立①②h,知D错误;

从小球滚上到滚下并离开小车,系统在水平方向上的动量守恒,由于无摩擦力做功,机械能守恒,此过程类似于弹性碰撞,作用后两者交换速度,即小球速度变为零,开始做自由落体运动,故BC对,A错.

答案 BC

总结提升

1如果两个相互作用的物体,满足动量守恒的条件,且相互作用过程初、末状态的总机械能不变,广义上也可以看成是弹性碰撞.

2.本题可看成广义上的一动碰一静模型.小球滑上轨道时是碰撞的开始,小球离开轨道时是碰撞的结束.由于机械能守恒所以该过程类似于弹性碰撞,作用完成后小球和轨道交换速度.

二、非弹簧碰撞模型分析

3 冰球运动员甲的质量为80 kg.当他以5 m/s的速度向前运动时,与另一质量为100 kg、速度为3 m/s的迎面而来的运动员乙相撞.碰后甲恰好静止.假设碰撞时间极短,求:

(1)碰后乙的速度的大小;

(2)碰撞中总机械能的损失.

解析 (1)设运动员甲、乙的质量分别为mM,碰前速度大小分别为vv1,碰后乙的速度大小为v1.设碰前运动员甲的速度方向为正方向.由动量守恒定律有

mvMv1Mv1

代入数据得v11 m/s

(2)设碰撞过程中总机械能的损失为ΔE,应有

mv2MvMv12ΔE

联立①②式,代入数据得ΔE1 400 J.

答案 (1)1 m/s (2)1 400 J

总结提升

1在碰撞过程中,系统的动量守恒,但机械能不一定守恒.

2.完全非弹性碰撞(碰后两物体粘在一起)机械能一定损失(机械能损失最多)

3.在爆炸过程中动量守恒,机械能一定不守恒(机械能增加)

4 质量为m、速度为vA球跟质量为3m、静止的B球发生正碰.碰撞可能是弹性的,也可能是非弹性的,因此,碰撞后B球的速度允许有不同的值.请你论证:碰撞后B球的速度可能是以下值中的(  )

A0.6v B0.4v C0.2v D0.1v

解析 若发生弹性碰撞,设碰后A的速度为v1B的速度为v2,以A的初速度方向为正方向,由动量守恒定律:mvmv13mv2

由机械能守恒定律:

mv2mv×3mv

由以上两式得v1=-v2

若碰撞过程中损失机械能最大,则碰后两者速度相同,设为v,由动量守恒定律:

mv(m3m)v

解得v

所以在情况不明确时,B球速度vB应满足vB.

因此选B.

答案 B

总结提升

碰撞满足的条件

(1)动量守恒:p1p2p1p2.

(2)动能不增加:Ek1Ek2Ek1Ek2.

(3)速度要符合情景:碰撞后,原来在前面的物体的速度大于或等于原来在后面的物体的速度,即vv,否则碰撞不会结束.

1.现有甲、乙两滑块,质量分别为3mm,以相同的速率v在光滑水平面上相向运动,发生了碰撞.已知碰撞后,甲滑块静止不动,那么这次碰撞是(  )

A.弹性碰撞 B.非弹性碰撞

C.完全非弹性碰撞 D.条件不足,无法确定

答案 A

解析 以甲滑块的运动方向为正方向,由动量守恒定律得:3m·vmv0mv

所以v2v

碰前总动能

Ek×3m·v2mv22mv2

碰后总动能Ekmv22mv2

EkEk,所以A正确.

2.在光滑的水平面上有三个完全相同的小球,它们成一条直线,23小球静止,并靠在一起,1小球以速度v0射向它们,如图7所示.设碰撞中不损失机械能,则碰后三个小球的速度可能值是(  )

7

Av1v2v3v0 Bv10v2v3v0

Cv10v2v3v0 Dv1v20v3v0

答案 D

解析 两个质量相等的小球发生弹性正碰,碰撞过程中动量守恒,动能守恒,碰撞后将交换速度,故D项正确.

3(多选)AB两个质量相等的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/sB球的动量是5 kg·m/sA球追上B球发生碰撞,则碰撞后AB两球的动量可能值是(  )

ApA8 kg·m/spB4 kg·m/s

BpA6 kg·m/spB6 kg·m/s

CpA5 kg·m/spB7 kg·m/s

DpA=-2 kg·m/spB14 kg·m/s

答案 BC

解析 从动量守恒的角度分析,四个选项都正确;从能量角度分析,AB碰撞过程中没有其他形式的能量转化为它们的动能,所以碰撞后它们的总动能不能增加.碰前B在前,A在后,碰后如果二者同向,一定仍是B在前,A在后,A不可能超越B,所以碰后A的速度应小于等于B的速度.

A选项中,显然碰后A的速度大于B的速度,这是不符合实际情况的,所以A错.

碰前AB的总动能Ek

碰后AB的总动能,B选项中Ek<Ek,所以B可能.C选项中EkEk,故C也可能.

D选项中Ek>Ek,所以D是不可能的.综上,本题正确选项为BC.

4.质量分别为300 g200 g的两个物体在无摩擦的水平面上相向运动,速度分别为50 cm/s100 cm/s.

(1)如果两物体碰撞并粘合在一起,求它们共同的速度大小及碰撞中损失的动能.

(2)如果碰撞是弹性碰撞,求两物体碰撞后的速度大小.

答案 (1)0.1 m/s 0.135 J (2)0.7 m/s 0.8 m/s

解析 (1)v150 cm/s0.5 m/s

v2=-100 cm/s=-1 m/s

设两物体碰撞后粘合在一起的共同速度为v

由动量守恒定律得m1v1m2v2(m1m2)v

代入数据解得v=-0.1 m/s,负号表示方向与v1的方向相反.

碰撞后两物体损失的动能为ΔEkm1vm2v (m1m2)v2

[×0.3×0.52×0.2×(1)2×(0.30.2)×(0.1)2] J0.135 J.

(2)如果碰撞是弹性碰撞,设碰后两物体的速度分别为v1v2

由动量守恒定律得m1v1m2v2m1v1m2v2

由机械能守恒定律得m1vm2vm1v12m2v22,代入数据得v1=-0.7 m/sv20.8 m/s.

一、选择题(19为单选题,10为多选题)

1.在一条直线上有相向运动的甲、乙两个小球,它们的动能相等,已知甲球的质量大于乙球的质量,它们正碰后可能发生的情况是(  )

A.甲、乙两球都沿乙球的运动方向

B.甲球反向运动,乙球停下

C.甲、乙两球都反向运动

D.甲、乙两球都反向运动,且动能仍相等

答案 C

解析 p22mEk知,甲球的动量大于乙球的动量,所以总动量的方向应为甲球的初动量的方向,可以判断C正确,ABD错误.

2.质量相等的三个物块在一光滑水平面上排成一直线,且彼此隔开了一定的距离,如图1所示.具有动能E0的第1个物块向右运动,依次与其余两个静止物块发生碰撞,最后这三个物块粘在一起,这个整体的动能为(  )

1

AE0 B. C. D.

答案 C

解析 碰撞中动量守恒mv03mv1,得

v1

E0mv

Ek×3mv

①②③Ek×3m()2×(mv),故C正确.

3.如图2所示,细线上端固定于O点上,其下端系一小球,静止时细线长为L.现将细线和小球拉至图中实线位置,此时细线与竖直方向的夹角为θ60°,并在小球原来所在的最低点放置一质量相同的泥球,然后使悬挂的小球从实线位置由静止释放,它运动到最低点时与泥球碰撞并合为一体,它们一起摆动中可达到的最大高度是(  )

                   

2

A. B.

C. D.

答案 C

解析 碰前由机械能守恒得mgL(1cos 60°)mv,解得v1,两球相碰过程动量守恒mv12mv2,得v2,碰后两球一起摆动,机械能守恒,则有×2mv2mgh,解得hL.

4.在光滑的水平面上有ab两球,其质量分别为mamb,两球在t0时刻发生正碰,并且在碰撞过程中无机械能损失,两球在碰撞前后的vt图象如图3所示,下列关系式正确的是(  )

3

Ama>mb

Bma<mb

Cmamb

D.无法判断

答案 B

解析 由图象知,a球以初速度与原来静止的b球碰撞,碰后a球向相反方向运动且速率减小.根据碰撞规律知,a球质量小于b球质量.

5.如图4所示,木块AB质量均为2 kg,置于光滑水平面上.B与一轻质弹簧一端相连,弹簧另一端固定在竖直挡板上,当A4 m/s的速度向B撞击时,AB之间由于有橡皮泥而粘在一起运动,那么弹簧被压缩到最短时,具有的弹性势能大小为(  )

4

A4 J B8 J

C16 J D32 J

答案 B

解析 AB碰撞过程动量守恒,有mAvA(mAmB)vAB,所以vAB2 m/s.当弹簧被压缩到最短时,AB的动能完全转化成弹簧的弹性势能,所以Ep (mAmB)v8 J.

6.如图5所示,物体A静止在光滑的水平面上,A的左边固定有轻质弹簧,与A质量相同的物体B以速度vA运动并与弹簧发生碰撞,AB始终沿同一直线运动,则AB组成的系统动能损失最大的时刻是(  )

5

AA开始运动时 BA的速度等于v

CB的速度等于零时 DAB的速度相等时

答案 D

解析 AB组成的系统由于水平面光滑,所以动量守恒.而对AB、弹簧组成的系统机械能守恒,即AB动能与弹簧弹性势能之和为定值.当AB速度相等时,可类似于AB的完全非弹性碰撞,AB总动能损失最多.此时弹簧形变量最大,弹性势能最大.

7AB两球在光滑水平面上沿同一直线、同一方向运动,mA1 kgmB2 kgvA6 m/svB2 m/s,当A追上B并发生碰撞后,AB两球速度的可能值是(  )

AvA5 m/svB2.5 m/s

BvA2 m/svB4 m/s

CvA=-4 m/svB7 m/s

DvA7 m/svB1.5 m/s

答案 B

解析 虽然题给四个选项均满足动量守恒定律,但AD两项中,碰后A的速度vA大于B的速度vB,必须要发生第二次碰撞,不符合实际,即AD项均错误;C项中,两球碰后的总动能EkmAvA2mBvB257 J,大于碰前的总动能EkmAvmBv22 J,违背了能量守恒,所以C项错误;而B项既符合实际情况,也不违背能量守恒,所以B项正确.

8.如图6所示,在光滑水平面上有直径相同的ab两球,在同一直线上运动,选定向右为正方向,两球的动量分别为pa6 kg·m/spb=-4 kg·m/s.当两球相碰之后,两球的动量可能是(  )

6

Apa=-6 kg·m/spb4 kg·m/s

Bpa=-6 kg·m/spb8 kg·m/s

Cpa=-4 kg·m/spb6 kg·m/s

Dpa2 kg·m/spb0

答案 C

解析 对于碰撞问题要遵循三个规律:动量守恒定律,碰后系统的机械能不增加和碰撞过程要符合实际情况.本题属于迎面对碰,碰撞前,系统的总动量为2 kg·m/s.选项A中,系统碰后的动量变为-2 kg·m/s,不满足动量守恒定律,选项A错误;选项B中,系统碰后的动量变为2 kg·m/s,满足动量守恒定律,但碰后a球动量大小不变,b球动量增加,根据关系式Ek可知,a球的动能不变,b球动能增加,系统的机械能增大了,所以选项B错误;选项D中,显然满足动量守恒,碰后系统的机械能也没增加,但是碰后a球运动方向不变,b球静止,这显然不符合实际情况,选项D错误;经检验,选项C满足碰撞所遵循的三个规律,故选C.

9.一中子与一质量数为A(A>1)的原子核发生弹性正碰.若碰前原子核静止,则碰撞前与碰撞后中子的速率之比为(  )

A. B.

C. D.

答案 A

解析 设中子的质量为m,则被碰原子核的质量为Am,两者发生弹性碰撞,据动量守恒,有mv0mv1Amv,据动能守恒,有mvmvAmv2.解以上两式得v1v0.若只考虑速度大小,则中子的速率为v1v0,故中子前、后速率之比为.

10.如图7所示,大小相同的摆球ab的质量分别为m3m,摆长相同,并排悬挂,平衡时两球刚好接触.现将摆球a向左拉开一小角度后释放.若两球的碰撞是弹性的,下列判断正确的是(  )

7

A.第一次碰撞后的瞬间,两球的速度大小相等

B.第一次碰撞后的瞬间,两球的动量大小相等

C.第一次碰撞后,两球的最大摆角不相等

D.第一次碰撞后,两球的最大摆角相等

答案 AD

解析 两球弹性碰撞时动量守恒、动能守恒,设碰撞前a球速度为v,碰撞后两球速度大小分别为vav=-vvbvv,速度大小相等,选项A正确,B错误;碰后动能转化为重力势能,由mv2mgh知,上升的最大高度相等,所以最大摆角相等,选项C错误,D正确.

二、非选择题

11.如图8所示,ABC为一固定在竖直平面内的光滑轨道,BC段水平,AB段与BC段平滑连接,质量为m1的小球从高为h处由静止开始沿轨道下滑,与静止在轨道BC段上质量为m2的小球发生碰撞,碰撞后两球的运动方向处于同一水平线上,且在碰撞过程中无机械能损失,求碰撞后小球m2的速度大小v2.

8

答案 

解析 m1碰撞前的速度为v10,根据机械能守恒定律有m1ghm1v

解得v10

设碰撞后m1m2的速度分别为v1v2,根据动量守恒定律有m1v10m1v1m2v2

由于碰撞过程中无机械能损失

m1vm1vm2v

联立②③式解得v2

代入v2.

12.如图9所示,在冰壶世锦赛上中国队以86战胜瑞典队,收获了第一个世锦赛冠军,队长王冰玉在最后一投中,将质量为m的冰壶推出,运动一段时间后以0.4 m/s的速度正碰静止的瑞典队冰壶,然后中国队冰壶以0.1 m/s的速度继续向前滑向大本营中心.若两冰壶质量相等,求:

9

(1)瑞典队冰壶获得的速度;

(2)试判断两冰壶之间的碰撞是弹性碰撞还是非弹性碰撞.

答案 (1)0.3 m/s (2)非弹性碰撞

解析 (1)由动量守恒定律知mv1mv2mv3

v10.4 m/sv20.1 m/s代入上式得:

v30.3 m/s.

(2)碰撞前的动能E1 mv0.08m,碰撞后两冰壶的总动能E2mvmv0.05m

因为E1E2,所以两冰壶间的碰撞为非弹性碰撞.

13.如图10所示,在水平光滑直导轨上,静止着三个质量均为m1 kg的相同小球ABC,现让A球以v02 m/s的速度向着B球运动,AB两球碰撞后粘合在一起,两球继续向右运动并跟C球碰撞,C球的最终速度vC1 m/s.求:

10

(1)AB两球跟C球相碰前的共同速度为多大?

(2)两次碰撞过程中一共损失了多少动能?

答案 (1)1 m/s (2)1.25 J

解析 (1)v0的方向为正方向,

AB相碰满足动量守恒:mv02mv1

解得AB两球跟C球相碰前的速度:v11 m/s.

(2)AB两球与C碰撞,以vC的方向为正方向,

由动量守恒定律得:2mv1mvC2mv2

解得两球碰后的速度:v20.5 m/s

两次碰撞损失的动能:

ΔEkmv×2mvmv1.25 J.




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