内容正文:
假期必刷9 动量和能量的综合问题
1.如果要研究在某一时刻物理量的关系,可用
牛顿第二定律列式.
2.研究某一物体受到力的持续作用发生运动状
态改变时,一般用动量定理(涉及时间的问题)
或动能定理(涉及位移的问题)去解决问题.
3.若研究对象为一系统,且它们之间有相互作
用,一般用动量守恒定律和机械能守恒定律
去解决问题,但需注意所研究的问题是否满
足守恒的条件.
4.在涉及碰撞、爆炸、打击、绳绷紧等物理现象
时,这些过程一般均隐含有系统机械能与其
他形式能量之间的转换.这种问题由于作用
时间都极短,满足动量守恒定律.
1.如图(a),一长木板静止于光滑水平桌面上,
t=0时,小物块以速度v0 滑到长木板上,
图(b)为物块与木板运动的vGt图像,图中
t1、v0、v1 已知.重力加速度大小为g.由此可
求得 ( )
A.木板的长度
B.物块与木板的质量
C.物块与木板之间的动摩擦因数
D.从t=0开始到t1 时刻,木板获得的动能
2.(多选)如图所示,与水平
轻弹簧相连的物体 A 停
放在光滑的水平面上,物体B 沿水平方向
向右运动,跟轻弹簧相碰.在B 跟弹簧相碰
后,对于A、B 和轻弹簧组成的系统,下列说
法中正确的是 ( )
A.弹簧压缩量最大时,A、B 的速度相同
B.弹簧压缩量最大时,A、B的动能之和最小
C.弹簧被压缩的过程中系统的总动量不断
减少
D.物体A 的速度最大时,弹簧的弹性势能
为零
3.(多选)如图甲所示,一轻质弹簧的两端分别
与质量分别是m1、m2 的 A、B两物块相连,
它们静止在光滑水平面上,两物块质量之比
m1∶m2=2∶3.现给物块 A 一个水平向右
的初速度v0 并从此时刻开始计时,两物块
的速度随时间变化的规律如图乙所示,下列
说法正确的 ( )
A.物块 A、B与弹簧组成的系统动量守恒
B.物块 A、B与弹簧组成的系统机械能不
守恒
C.v3=
2
3v0
D.v3=04v0
4.(多选)如图所示,光滑的
半圆槽置于光滑的水平地
面上,从一定高度自由下
落的小球 m 恰能沿半圆
槽边缘的切线方向滑入原先静止的槽内,对
此情况,下列说法正确的是 ( )
A.小球第一次离开槽时,将向右上方做斜
抛运动
B.小球第一次离开槽时,将做竖直上抛运动
C.小球离开槽后,仍能落回槽内,而槽将做
往复运动
D.槽一直向右运动
5.如图所示,光滑水平
面上有三个滑块A、
B、C,质量分别为 mA =4kg,mB =2kg,
mC=2kg,A、B用一轻弹簧连接(弹簧与滑块
拴接),开始时A、B 以共同速度v0=4m/s
运动,且弹簧处于原长,某时刻B 与静止在
前方的C 发生碰撞并粘在一起运动,求:
71
(1)B 与C 碰后的瞬间,C的速度大小;
(2)运动过程中弹簧最大的弹性势能.
6.(2024辽宁卷)如图,高度h=0.8m 的水
平桌面上放置两个相同物块 A、B,质量mA
=mB=0.1kg.A、B间夹一压缩量Δx=0.1m
的轻弹簧,弹簧与 A、B不拴接.同时由静止
释放 A、B,弹簧恢复原长时 A 恰好从桌面
左 端 沿 水 平 方 向 飞 出,水 平 射 程
xA=0.4m,B脱离弹簧后沿桌面滑行一段
距离xB=0.25m 后停止.A、B 均视为质
点,取重力加速度g=10m/s2.求:
(1)脱离弹簧时 A、B的速度大小vA 和vB;
(2)物块与桌面间的动摩擦因数μ;
(3)整个过程中,弹簧释放的弹性势能ΔEp.
7.(生活情景)如图甲所示,“打弹珠”是一种常
见的民间游戏,该游戏的规则为:将手中一
弹珠以一定的初速度瞬间弹出,并与另一静
止的弹珠发生碰撞,被碰弹珠若能进入小坑
中即为胜出.现将此游戏进行简化,如图乙
示,粗糙程度相同的水平地面上,弹珠A 和
弹珠B 与 坑 在 同 一 直 线 上,两 弹 珠 间 距
x1=2m,弹珠B 与坑的间距x2=1m.某同
学将弹珠A 以v0=6m/s的初速度水平向
右瞬间弹出,经过时间t1=04s与弹珠B
正碰(碰撞时间极短),碰后弹珠A 又向前
运动 Δx=01m 后停下.已知两弹珠的质
量均为25g,取重力加速度g=10m/s2,
若弹珠 A、B 与地面间的动摩擦因数均相
同,并将弹珠的运动视为滑动,求:
(1)碰撞前瞬间弹珠A 的速度大小和弹珠
与地面间的动摩擦因数μ;
(2)两弹珠碰撞瞬间的机械能损失,并判断
该同学能否胜出.
81
3.AD [由动量守恒,可验证四个选项都满足要求.再看动能
变化情况Ek前 =
1
2mAv
2
A+
1
2mBv
2
B=27J,Ek后 =
1
2mAvA′
2
+12mBvB′
2,由于碰撞过程中总动能不可能增加,所以应有
Ek前 ≥Ek后 ,据此可排除B;选项C虽满足Ek前 ≥Ek后 ,但 A、B
沿同一直线相向运动,发生碰撞后各自仍然保持原来的速度
方向,这显然是不符合实际的,因此选项 C错误;验证 A、D
均满足Ek前 ≥Ek后 ,且碰后状态符合实际,故 A、D正确.]
4.AC [若A、B 发生的是弹性碰撞,则没有能量的损失,碰后
的总动能为1
2mv
2,若发生的是损失能量最多的完全非弹性
碰撞,取向右为正方向,由动量守恒定律有mv=4mv1,得v1
=v4
,则碰后两者总动能为Ek=
1
2 ×4m
v
4( )
2
= 18mv
2,
因此,碰后两者总动能范围是 1
8mv
2≤E总 ≤
1
2mv
2,A、C正
确,B、D错误.]
5.BC [A、B两球同向运动,A 球追上 B球要满足vA>vB.两
球碰撞过程中动量守恒,且动能不会增多,碰撞结束要满足
vB≥vA′,
由vA>vB 得
pA
mA
>
pB
mB
,
即
mA
mB
<
pA
pB
=1012≈083
,
由碰撞过程动量守恒得
pA+pB=pA′+pB′,pB′=14kgm/s,
由碰撞过程的总动能不增加得
p2A
2mA
+
p2B
2mB
≥
pA′
2
2mA
+
pB′
2
2mB
,即mA
mB
≤3652≈069
,
由vB′≥vA′得
pB′
mB
≥
pA′
mA
,mA
mB
≥
pA′
pB′
=814≈057
,
综上分析有057≤
mA
mB
≤069.
故B、C正确.]
6.B [b沿a上升到最大高度时,两者速度相等,取向右为正
方向,在水平方向,由动量守恒定律得mv0=(m+4m)v,
由机械能守恒定律得1
2mv0
2=12
(m+4m)v2+mgh,解得h
=
2v0
2
5g
,A、C错误;滑块b从滑上a到滑离a后,物块a运动
的速度最大.系统在水平方向动量守恒,对整个过程,以向右
为正方向,由动量守恒定律得mv0=mvb+4mva,
由机械能守恒定律得1
2mv
2
0=
1
2mvb
2+12×4mva
2,解得va
=25v0
,vb=-
3
5v0
,B正确,D错误.]
7.BC [由于两小球碰撞过程中机械能守恒,可知两小球碰撞
过程是 弹 性 碰 撞,根 据 动 量 守 恒 和 能 量 守 恒 mv=mvM +
mvN
1
2mv
2=12mv
2
M +
1
2mv
2
N,由于两小球质量相等,故碰
撞后两小球交换速度,即vM =0,vN=v,碰后小球 N 做平抛
运动,在水平方向做匀速直线运动,即水平地面上的垂直投
影的运动速度大小等于v;在竖直方向上做自由落体运动,
即竖直墙面上的垂直投影的运动是匀加速运动.]
8.解析:(1)设运动员甲、乙的质量分别为 m甲 、m乙 ,碰前速度
大小分别为v1、v2,碰后乙的速度大小为v2′,
由动量守恒定律有
m甲 v1-m乙 v2=m乙 v2′, ①
代入数据得v2′=10m/s, ②
方向与乙原来的方向相反.
(2)设碰撞过程中总机械能的损失为 ΔE,应有
ΔE=12m甲 v
2
1+
1
2m乙 v
2
2-
1
2m乙 v2′
2 ,③
联立②③式,代入数据得 ΔE=1400J
答案:(1)10m/s 方向与乙原来的方向相反 (2)1400J
9.解析:(1)A、B相碰满足动量守恒,以v0 的方向为正方向,有
mv0=2mv1
代入数值解得v1=1m/s,即两球跟 C球相碰前的速度大小
为1m/s.
(2)两球与 C球碰撞同样满足动量守恒,以v0 的方向为正
方向,
有2mv1=mvC+2mv2,
解得 A、B球碰后的速度v2=05m/s,
两次碰撞共损失的动能
ΔEk=
1
2mv0
2-12×2mv2
2-12mvC
2=125J.
答案:(1)1m/s (2)125J
素养培优
10.C [两汽车发生弹性碰撞,碰撞过程系统动量守恒、机械
能守恒,设碰撞后 A、B的速度分别为v1、v2,以碰撞前 A的
速度方向为正方向,设B 的质量为m,则 A 的质量为2m,
由动量守恒定律得2mv0=2mv1+mv2,由机械能守恒定律
得1
2×2mv
2
0=
1
2×2mv
2
1+
1
2mv
2
2,解得v1=
1
3v0
,选项 C
正确.]
假期必刷9
素养训练
1.C [对小物块应用x=
v0+v1
2 t1
可以求出物块相对木板滑
行的距离,木板的长度可能等于该长度、也可能大于该长度,
根据题意无法求出木板的长度,A 错误;物块与木板组成的
系统动量守恒,以物块的初速度方向为正方向,由动量守恒
定律得mv0=(m+M)v1,可解出物块与木板的质量之比,但
无法计算 各 自 的 质 量,B 错 误;对 物 块,由 动 量 定 理 得 -
μmgt1= mv1-mv0,v0 与v1 已知,解得μ=
v0-v1
gt1
,可以求
出动摩擦因数,C正确;由于不知道木板的质量,无法求出从
t=0开始到t1 时刻,木板获得的动能,D错误.]
2.ABD [物体B 与弹簧接触时,弹簧发生形变,产生弹力,可
知B 做减速运动,A 做加速运动,当两者速度相等时,弹簧
的压缩量最大,故 A 正确;A、B 和弹簧组成的系统能量守
恒,弹簧压缩量最大时,弹性势能最大,此时 A、B 的动能之
和最小,故B正确;弹簧在压缩的过程中,A、B 和弹簧组成
的系统动量守恒,故 C 错误;当两者速度相等时,弹簧的压
缩量最大,然后A 继续加速,B 继续减速,弹簧逐渐恢复原
长,当弹簧恢复原长时,A 的速度最大,此时弹簧的弹性势能
为零,故 D正确.]
3.AD [物块 A、B与弹簧组成的系统所受合外力为零,满足
动量守恒,A正确;物块 A、B与弹簧组成的系统只有弹簧的
弹力做功,机械能守恒,B错误;在0~t1 时间内,A 向右减
速,B向右加速,结合乙图可知,t1 时刻两者达到共同速度
v3,据动 量 守 恒 定 律 可 得 m1v0=(m1+m2)v3,解 得v3 =
04v0,C错误,D正确.]
4.BC [小球与半圆槽组成的系统在水平方向所受合外力为
零,初状态时系统在水平方向动量为零,由动量守恒定律可
知,小球第一次离开槽时,系统水平方向动量守恒,球与槽在
水平方向的速度都为零,球离开槽后做竖直上抛运动,故 A
错误,B正确;小球沿槽的右侧下滑到底端过程,槽向右做加
速运动,球从底端向左侧上升过程,槽向右做减速运动,球离
开槽时,槽静止,球做竖直上抛运动,然后小球落回槽的左
侧,球从槽的左侧下滑过程,槽向左做加速运动,从最低点向
右上滑时,槽向左做减速运动,然后球离开槽做竖直上抛运
动,此后重复上述过程,由此可知,槽在水平面上做往复运
动,故 C正确,D错误.]
5.解析:(1)B 与C 碰撞过程动量守恒,对B 和C,有 mBv0=
(mB+mC)vC,
解得vC=2m/s.
(2)弹簧弹性势能最大时三者共速,A、B、C 组成的系统,由
动量守恒定律,有
(mA+mB)v0=(mA+mB+mC)v,
211
碰后运动过程中,系统机械能守恒,有
Ep=
1
2
(mB+mC)v
2
C+
1
2mAv
2
0-
1
2
(mA+mB+mC)v
2,
代入数据解得Ep=4J.
答案:(1)2m/s (2)4J
6.解:(1)对物块 A,由平抛运动知识得h=12gt
2,xA=vAt,代
入数据解得,脱离弹簧时 A的速度大小为vA=1m/s,对 A、
B物块整体由动量守恒定律 mAvA=mBvB,解得脱离弹簧时
B的速度大小为vB=1m/s.
(2)对物块B由动能定理-μmBgxB=0-
1
2mBv
2
B,代入数据
解得,物块与桌面间的动摩擦因数为μ=0.2.
(3)由能量守恒定律ΔEp=
1
2mAv
2
A+
1
2mBv
2
B+μmAgΔxA+
μmBgΔxB,其中 mA=mB,Δx=ΔxA+ΔxB,解得整个过程
中,弹簧释放的弹性势能 ΔEp=0.12J.
答案:(1)1m/s 1m/s (2)0.2 (3)0.12J
素养培优
7.解析:(1)设碰撞前瞬间弹珠A 的速度为v1,由运动学公式
得x1=v0t1-
1
2at
2
1,
v1=v0-at1,由牛顿第二定律得Ff=μmg=ma,
联立解得a=5m/s2,μ=0.5,v1=4m/s,
(2)由(1)可知弹珠A 和B 在地面上运动时加速度大小均为
a=5m/s2,弹珠A 碰撞后瞬间的速度为v1′,由运动学规律
v1′
2=2aΔx,
解得v1′=1m/s,
设碰后瞬间弹珠B 的速度为v2′,由动量守恒定律得mv1+0
=mv1′+mv2′,
解得v2′=3m/s;
所 以 两 弹 珠 碰 撞 瞬 间 的 机 械 能 损 失 ΔEk =
1
2 mv
2
1
- 12mv1′
2+12mv2′
2( ) ,
解得 ΔEk=7.5×10
-3J,
碰后弹珠B 运动的距离为 Δx′=
v2′
2
2a =0.9m<1m
所以弹珠
B 没有进坑,故不能胜出.
答案:(1)v1=4m/s,μ=0.5;(2)7.5×10
-3J,不能
假期必刷10
素养训练
1.解析:(1)滑块A 和滑块B 发生碰撞,用质量大的滑块A 碰
质量小的滑块B,则不会发生反弹,所以mA>mB.
(2)滑块经过光电计时器时做匀速运动
则碰前滑块A 的速度为vA=
d
t1
,
碰后滑块A 的速度vA′=
d
t3
,
碰后滑块B 的速度vB′=
d
t2
;
(3)由动量守恒定律得
mAvA=mAvA′+mBvB′,
化简可得
mA
t1
=
mA
t3
+
mB
t2
.
答案:(1)大于 (2)dt1
(3)
mA
t1
=
mA
t3
+
mB
t2
2.解析:(1)如题图乙,B球有10个落点位置,实验中应取平均
位置.方法是用最小的圆将所有点圈在里面,圆心位置即为
落点平均位置,找准平均位置,读数时应在刻度尺的分度值
后面再估读一位.读数为649cm(647~651cm 均正确).
(2)本实验的装置中,被碰小球B和入射小球 A 都从轨道末
端开始做平抛运动,且两球平抛时间相同.设未放被碰 B球
时,A球平抛水平位移为sA;A、B相碰后,A、B两球的水平
位移分别为sA′、sB′,A、B质量分别为 mA、mB,则碰前 A 的
动量为 mA
sA
t
,碰后 A、B的动量之和可 写 成 mA
sA′
t +mB
sB′
t
,要验证动量守恒,即验证以上两式是否相等,所以该实
验应测量的物理量有mA、mB、sA、sA′、sB′,故 A、B、D正确.
答案:(1)649 (2)ABD
3.解析:(1)A球碰撞前做平抛运动的水平位移是图中的OP,
A、B球相碰后,A的速度变小,小于碰撞前速度,且 A 的速
度小于B的速度,离开轨道后两球做平抛运动,由于抛出点
的高度相等,运动时间相等,则碰撞后 A 的水平位移小于 B
的水平位移,A 的水平位移小于碰撞前 A 的水平位移,由题
中图示可知,A 球做平抛运动的水平位移是图中的 OM,B
球做平抛运动的水平位移是图中的ON;
(2)只要保证 A 球每次到达轨道末端时的速度相等即可,实
验时应让 A 球从斜槽的同一位置由静止释放,实验中 A 球
下滑过程中与斜槽轨道间存在摩擦力对实验结果不会产生
误差;
(3)为防止碰撞后入射球反弹,入射小球 A 的质量应大于被
碰小球B的质量,故 A 错误;小球离开斜槽后做平抛运动,
小球做平抛运动抛出点的高度相等,它们的运动时间相等,
可以用小球的水平位移代替其水平速度,实验时不需要测量
斜槽末端到水平地面的高度,故 B错误;为保持每次实验入
射球的速度相等,入射小球每次必须从斜槽上的同一位置由
静止释放,故 C错误;为保证小球离开斜槽后做平抛运动,
斜槽末端的切线必须水平,故 D正确;
(4)根据动量守恒可得mAv2=mAv1+mBv3 因为碰前碰后从
同一高度做平抛运动,下落时间相同,所以mAv2t=mAv1t+
mBv3t,即mAx2=mAx1+mBx3,所以只要满足上式,A、B两
个小球碰撞过程中动量就守恒.
答案:(1)OM ON (2)不会 (3)D (4)mAx2=mAx1
+mBx3
4.解析:(1)为防止碰撞后入射球反弹,入射球的质量应大于
被碰球的质量,即应该使 mb 大于 ma,为了使碰撞能沿水平
方向发生,则二者的球心的高度要相同,所以它们的半径要
相等,故 A正确,B、C、D错误.
(2)要验证动量守恒,就需要知道碰撞前、后的动量,所以要
测量两个小球的质量及碰撞前后小球的速度,碰撞前、后小
球都做平抛运动,速度可以用水平位移代替.所以需要测量
的量为:小球a、b的质量ma、mb,记录纸上O 点到A、B、C各
点的距离OA、OB、OC,故 A、B正确,C、D错误.
(3)小球离开轨道后做平抛运动,小球抛出点的高度相同,小
球在空中的运动时间t相等,如果碰撞过程动量守恒,则:
mbv0=mbv1+mav2
两边同时乘以时间t,得:mbv0t=mbv1t+mav2t
则:mbOB=mbOA+maOC
(4)桌面离地面的高度为h,该地的重力加速度为g,小球b
飞行的时间:t= 2hg
,
b的初速度v0=
OB
t =OB
g
2h
,
弹簧锁定时具有的弹性势能Ep 转化为小球b的动能,所以
弹簧锁定时具有的弹性势能Ep 为:
Ep=
1
2mbv
2
0=
mbgOB
2
4h .
答案:(1)A (2)AB (3)mbOB=mbOA+maOC
(4)
mbgOB
2
4h
素养培优
5.解析:(1)A.实验中若使小球碰撞前、后的水平位移与其碰
撞前、后速度成正比,需要确保小球做平抛运动,即实验前,
调节装置,使斜槽末端水平,故 A 正确;B.为使两小球发生
的碰撞为对心正碰,两小球半径需相同,故 B错误;C.为使
碰后入射小球与被碰小球同时飞出,需要用质量大的小球碰
撞质量小的小球,故 C正确.
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