第二板块 层级Ⅱ微专题Ⅱ-2 能量与动量中的STSE问题 （课件PPT）-【创新方案】2024年高考物理二轮复习专题辅导与测试（老教材）

微专题 Ⅱ－2 能量与动量中的 STSE问题 01 02 03 目 录 创新应用(一)　与生产、生活实际相结合 创新应用(二)　与体育运动、娱乐活动相结合 创新应用(三)　与科技创新、前沿理论相结合 2 01 创新应用(一) 与生产、生活 实际相结合 密切联系生产、生活实际，同时又涉及动量、能量的试题在逐渐增多，有选择题，也有计算题，对考生分析问题和解决问题的能力要求较高。 [典例]　 某游乐园入口旁有一喷泉，在水泵作用 下鲸鱼模型背部会喷出竖直向上的水柱，将站在冲浪 板上的米老鼠模型托起，使其稳定地悬停在空中，伴 随着音乐旋律，米老鼠模型能够上下运动，引人驻足， 如图所示。这一景观可做如下简化，水柱以一定的速 度从喷口竖直向上喷出，流量为Q(流量定义：在单位时间内向上通过水柱横截面的水的体积)，设同一高度水柱横截面上各处水的速率都相同，冲浪板底部为平板且其面积大于水柱的横截面积，保证所有水都能喷到冲浪板的底部。冲击冲浪板前水柱在水平方向的速度可忽略不计，冲击冲浪板后，水在竖直方向的速度立即变为零，在水平方向朝四周均匀散开，冲浪板静止在水柱上。已知米老鼠模型和冲浪板的总质量为M，水的密度为ρ，重力加速度大小为g，空气阻力及水的黏滞阻力均可忽略不计。 (1)求喷泉单位时间内喷出的水的质量； (2)由于水柱顶部的水与冲浪板相互作用的时间很短，因此在分析水对冲浪板的作用力时可忽略这部分水所受的重力。试计算米老鼠模型在空中悬停时，水到达冲浪板底部的速度大小； (3)要使米老鼠模型在空中悬停的高度发生变化，需调整水泵对水做功的功率。水泵对水做功的功率定义为单位时间内从喷口喷出的水的动能。请根据第(2)问中的计算结果，推导冲浪板底部距离喷口的高度h与水泵对水做功的功率P0之间的关系式。 [审题建模] 此题以游乐园喷泉为切入点，考查微元法、平衡条件、动量定理、机械能守恒定律、功率等知识。 (1)米老鼠模型和冲浪板在空中悬停，水对板的冲力与总重力Mg是一对平衡力。 (2)对水应用动量定理时，取小段时间Δt，且不计其重力的冲量。 (3)水从喷口喷出后竖直上升阶段只有重力作用，机械能守恒。　 [解析]　(1)由题干定义知，单位时间内喷出的水的质量为m＝ρQ。 (2)由题意知米老鼠模型和冲浪板在空中悬停时，冲击冲浪板底面的水的速度由v变为0，设Δt时间内这些水对板的作用力为F′，板对水的作用力为F，以竖直向下为正方向，不考虑Δt时间内水的重力，根据动量定理有FΔt＝0－mΔt(－v) 根据牛顿第三定律得F＝－F′ 由于米老鼠模型在空中悬停，根据力的平衡条件得－F′＝Mg [应用体验] 1．气垫鞋指的是鞋底上部和鞋底下部之间 设置有可形成气垫的储气腔的鞋子，通过气垫的 缓冲减小地面对脚的冲击力。某同学的体重为G， 穿着平底布鞋时双脚竖直着地过程中与地面的作用时间为t0。受到地面的平均冲击力大小为2.4G。若脚着地前的速度保持不变，该同学穿上某型号的气垫鞋时，双脚竖直着地过程中与地面的作用时间变为2t0，则该同学受到地面的平均冲击力大小变为(　 ) A．4.8G　　　　　　　　 B．1.2G C．0.7G D．1.7G 答案：D　 解析：设脚着地前的速度为v0，人着地的过程取向下为正方向，由动量定理有(G－2.4G)t0＝0－mv0，该同学穿上某型号的气垫鞋时，双脚竖直着地过程中与地面的作用时间变为2t0，可得(G－F)·2t0＝0－mv0，联立解得F＝1.7G，故该同学受到地面的平均冲击力大小变为1.7G，故选D。 2．(2023·陕西咸阳模拟)如图，消防员用高压水枪喷出的强 力水柱冲击着火物，直径为D的水柱以水平速度v垂直射向着火物。假设水流进入水枪的速度忽略不计，水柱冲击着火物后速度为零，水的密度为ρ。下列说法正确的是(　 ) 答案：B　 向前喷水时，水平方向消防员对水枪的水平作用力方向水平向前，竖直方向消防员对水枪的作用力竖直向上，则消防员对水枪的作用力方向斜向前偏上方向，选项D错误。 3．(2022·浙江6月选考) 风力发电已成为我国实现“双碳”目标的重要途径之一。如图所示，风力发电机是一种将风能转化为电能的装置。某风力发电机在风速为9 m/s时，输出电功率为405 kW，风速在5～10 m/s 范围内，转化效率可视为不变。该风机叶片旋转一周扫过的面积为A，空气密度为ρ，风场风速为v，并保持风正面吹向叶片。下列说法正确的是(　 ) 答案：D　 02 创新应用(二)　 与体育运动、 娱乐活动相结合 与体育运动、娱乐活动相关的试题中，常涉及动量定理、动量守恒定律、动能定理和能量守恒定律的应用，试题综合性较强。 [典例]　 如图是游乐场的一项娱乐设备。一环 形座舱套装在竖直柱子上，由升降机送上几十米的 高处，然后让座舱自