2019年高考物理 考前沖刺30天 第八講 必考計算題 動量和能量觀點的綜合應用學案(含解析)
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1、動量和能量觀點的綜合應用 命題點一 應用動量和能量觀點解決直線運動問題 例1 如圖1所示,輕彈簧的一端固定,另一端與滑塊B相連,B靜止在水平面上的O點,此時彈簧處于原長.另一質量與B相同的滑塊A從P點以初速度v0向B滑行,經過時間t時,與B相碰.碰撞時間極短,碰后A、B粘在一起運動.滑塊均可視為質點,與平面間的動摩擦因數均為μ,重力加速度為g.求: 圖1 (1)碰后瞬間,A、B共同的速度大?。? (2)若A、B壓縮彈簧后恰能返回到O點并停止,求彈簧的最大壓縮量; (3)整個過程中滑塊B對滑塊A做的功. 解析 (1)設A、B質量均為m,A剛接觸B時的速度為v1,碰后瞬間共
2、同的速度為v2,從P到O過程,由動量定理得:-μmgt=mv1-mv0 以A、B為研究對象,碰撞瞬間系統(tǒng)動量守恒,以向左為正方向,由動量守恒定律得:mv1=2mv2,解得:v2=(v0-μgt); (2)碰后A、B由O點向左運動,又返回到O點,設彈簧的最大壓縮量為x,由能量守恒定律得:μ(2mg)2x=(2m)v,解得:x=(v0-μgt)2 (3)對滑塊A,由動能定理得:W=mv-mv=-m(v0-μgt)2. 答案 (1) (v0-μgt) (2)(v0-μgt)2 (3)-m(v0-μgt)2 動量與能量的綜合在碰撞中的求解技巧 1.處理這類問題,關鍵是區(qū)分物體相互作用
3、的情況,分清物體的運動過程,尋找各相鄰運動過程的聯系,弄清各物理過程所遵循的規(guī)律. 2.對于發(fā)生彈性碰撞的物體,其作用過程中系統(tǒng)機械能守恒,動量守恒;對于發(fā)生非彈性碰撞的物體,系統(tǒng)的動量守恒但機械能不守恒,系統(tǒng)損失的機械能等于轉化的內能. 題組階梯突破 1.如圖2所示,質量M=4 kg的滑板B靜止放在光滑水平面上,其右端固定一根輕質彈簧,彈簧的自由端C到滑板左端的距離L=0.5 m,這段滑板與木塊A(可視為質點)之間的動摩擦因數μ=0.2,而彈簧自由端C到彈簧固定端D所對應的滑板上表面光滑.小木塊A以速度v0=10 m/s由滑板B左端開始沿滑板B表面向右運動.已知木塊A的質量m=1 kg
4、,g取10 m/s2.求: 圖2 (1)彈簧被壓縮到最短時木塊A的速度大小; (2)木塊A壓縮彈簧過程中彈簧的最大彈性勢能. 答案 (1)2 m/s (2)39 J 解析 (1)彈簧被壓縮到最短時,木塊A與滑板B具有相同的速度,設為v,從木塊A開始沿滑板B表面向右運動至彈簧被壓縮到最短的過程中,A、B系統(tǒng)的動量守恒. mv0=(M+m)v 解得v=v0 代入數據得木塊A的速度v=2 m/s. (2)木塊A壓縮彈簧過程中,彈簧被壓縮到最短時,彈簧的彈性勢能最大.由能量關系,最大彈性勢能 Ep=mv-(m+M)v2-μmgL 代入數據得Ep=39 J. 2.(2019·
5、河南六市一聯)如圖3所示,質量為m1=0.2 kg的小物塊A,沿水平面與小物塊B發(fā)生正碰,小物塊B的質量為m2=1 kg.碰撞前,A的速度大小為v0=3 m/s,B靜止在水平地面上.由于兩物塊的材料未知,將可能發(fā)生不同性質的碰撞,已知A、B與地面間的動摩擦因數均為μ=0.2,重力加速度g取10 m/s2,試求碰后B在水平面上滑行的時間. 圖3 答案 0.25 s≤t≤0.5 s 解析 假如兩物塊發(fā)生的是完全非彈性碰撞,碰后的共同速度為v1,則由動量守恒定律有: m1v0=(m1+m2)v1 碰后,A、B一起滑行直至停下,設滑行時間為t1,則由動量定理有μ(m1+m2)gt1=(m
6、1+m2)v1 解得t1=0.25 s 假如兩物塊發(fā)生的是彈性碰撞,碰后A、B的速度分別為vA、vB,則由動量守恒定律有m1v0=m1vA+m2vB 由機械能守恒定律有m1v=m1v+m2v 設碰后B滑行的時間為t2,則μm2gt2=m2vB 解得t2=0.5 s 可見,碰后B在水平面上滑行的時間t滿足0.25 s≤t≤0.5 s. 命題點二 應用動量和能量觀點解決多過程問題 例2 如圖4所示,質量為mB=2 kg的木板B靜止于光滑水平面上,質量為mA=6 kg的物塊A停在B的左端,質量為mC=2 kg的小球C用長為L=0.8 m的輕繩懸掛在固定點O.現將小球C及輕繩拉
7、直至水平位置后由靜止釋放,小球C在最低點與A發(fā)生正碰,碰撞作用時間很短為Δt=10-2s,之后小球C反彈所能上升的最大高度h=0.2 m.已知A、B間的動摩擦因數μ=0.1,物塊與小球均可視為質點,不計空氣阻力,取g=10 m/s2.求: 圖4 (1)小球C與物塊A碰撞過程中所受的撞擊力大??; (2)為使物塊A不滑離木板B,木板B至少多長? 解析 (1)C下擺過程,根據動能定理有: mCgL=mCv 解得:碰前C的速度大小vC==4 m/s C反彈過程,根據動能定理有:-mCgh=0-mCvC′2 解得:碰后C的速度大小vC′==2 m/s 取向右為正方向,對C根據動量定
8、理有:-F·Δt=-mCvC′-mCvC 解得:碰撞過程中C所受的撞擊力大?。篎==1 200 N. (2)C與A碰撞過程,根據動量守恒定律有:mCvC=-mCvC′+mAvA 解得:碰后A的速度vA==2 m/s A恰好滑至木板B右端并與其共速時,所求B的長度最?。? 根據動量守恒定律:mAvA=(mA+mB)v 解得A、B的共同速度v==1.5 m/s 根據能量守恒定律:μmAgx=mAv-(mA+mB)v2 解得:木板B的最小長度x==0.5 m. 答案 (1)1 200 N (2)0.5 m 研究對象和研究過程的選取技巧 1.選取研究對象和研究過程,要建立在分析
9、物理過程的基礎上,臨界狀態(tài)往往應作為研究過程的開始或結束. 2.要視情況對研究過程進行恰當的理想化處理. 3.可以把一些看似分散的、相互獨立的物體圈在一起作為一個系統(tǒng)來研究,有時這樣做可使問題大大簡化. 4.有的問題,可以選取一部分物體作研究對象,也可以選取其它部分物體作研究對象;可以選某一個過程作研究過程,也可以另一個過程作研究過程;這時,首選大對象、長過程. 題組階梯突破 3.如圖5所示,豎直平面內的四分之一圓弧軌道下端與水平桌面相切,小滑塊A和B分別靜止在圓弧軌道的最高點和最低點.現將A無初速度釋放,A與B碰撞后結合為一個整體,并沿桌面滑動.已知圓弧軌道光滑,半徑R=0.2 m
10、;A和B的質量相等;A和B整體與桌面之間的動摩擦因數μ=0.2.取重力加速度g=10 m/s2.求: 圖5 (1)碰撞前瞬間A的速率v; (2)碰撞后瞬間A和B整體的速率v′; (3)A和B整體在桌面上滑動的距離l. 答案 (1)2 m/s (2)1 m/s (3)0.25 m 解析 設滑塊的質量為m (1)根據機械能守恒定律mgR=mv2 得碰撞前瞬間A的速率v==2 m/s (2)根據動量守恒定律mv=2mv′ 得碰撞后瞬間A和B整體的速率 v′=v=1 m/s (3)根據動能定理(2m)v′2=μ(2m)gl 得A和B整體沿水平桌面滑動的距離l==0.25
11、m. 4.一質量為m=6 kg、帶電荷量為q=-0.1 C的小球P自動摩擦因數μ=0.5、傾角θ=53°的粗糙斜面頂端由靜止開始滑下,斜面高h=6.0 m,斜面底端通過一段光滑小圓弧與一光滑水平面相連.整個裝置處在水平向右的勻強電場中,場強E=200 N/C,忽略小球在連接處的能量損失,當小球運動到水平面時,立即撤去電場.水平面上放一靜止的不帶電的質量也為m的圓槽Q,圓槽光滑且可沿水平面自由滑動,圓槽的半徑R=3 m,如圖6所示.(sin 53°=0.8,cos 53°=0.6,g=10 m/s2) 圖6 (1)在沿斜面下滑的整個過程中,P球電勢能增加多少? (2)小球P運動到水平
12、面時的速度大?。? (3)試判斷小球P能否沖出圓槽Q. 答案 (1)90 J (2)5 m/s (3)不能 解析 (1)在沿斜面下滑的整個過程中,電場力對P球做功為:W==-90 J ΔE=-W=90 J (2)根據受力分析可知,斜面對P球的支持力為: FN=|q|Esin θ+mgcos θ 根據動能定理得: mgh+qE-μFN=mv2-0 代入數據,解得:v=5 m/s (3)設當小球與圓槽速度相等時,小球上升的高度為H,以小球的圓槽組成的系統(tǒng)為研究對象,根據水平方向動量守恒得:mv=2mv′ v′=2.5 m/s 根據機械能守恒得:mv2=×2mv′2+mgH
13、代入已知數據得:H=0.625 m 14、①設B球第一次到達地面時的速度大小為vB,由運動學公式有
vB= ①
將h=0.8 m代入上式,得
vB=4 m/s ②
②設兩球相碰前后,A球的速度大小分別為v1和v1′(v1′=0),B球的速度分別為v2和v2′.由運動學規(guī)律可知
v1=gt ③
由于碰撞時間極短,重力的作用可以忽略,兩球相碰前后的動量守恒,總動能保持不變.規(guī)定向下的方向為正,有
mAv1+mBv2=mBv2′ ④
mAv+mBv=mBv2′2 ⑤
設B球與地面相碰后的速度大小為vB′,由運動學及碰撞的規(guī)律可得
vB′=vB ⑥
設P點距地面的高度為h′,由運動學規(guī)律可知
h′= ⑦
15、
聯立②③④⑤⑥⑦式,并代入已知條件可得
h′=0.75 m.
答案?、? m/s ②0.75 m
解決力學問題的三種解題思路
1.以牛頓運動定律為核心,結合運動學公式解題,適用于力與加速度的瞬時關系、圓周運動的力與運動的關系、勻變速運動的問題,這類問題關鍵要抓住力與運動之間的橋梁——加速度.
2.從動能定理、機械能守恒定律、能量守恒定律的角度解題,適用于單個物體、多個物體組成的系統(tǒng)的受力和位移問題.
3.從動量定理、動量守恒定律的角度解題,適用于單個物體、多個物體組成的系統(tǒng)的受力與時間問題(不涉及加速度)及碰撞、打擊、爆炸、反沖等問題.
題組階梯突破
5.如圖8,一質量為 16、M的物塊靜止在桌面邊緣,桌面離水平地面的高度為h.一質量為m的子彈以水平速度v0射入物塊后,以水平速度射出.重力加速度為g.求:
圖8
(1)子彈穿出木塊時物塊的速度大??;
(2)此過程中系統(tǒng)損失的機械能;
(3)此后物塊落地點離桌面邊緣的水平距離.
答案 (1) (2) (3)
解析 (1)設子彈穿過物塊后物塊的速度為v,由動量守恒得mv0=m·+Mv①
解得v=②
(2)系統(tǒng)損失的機械能為ΔE=mv-m()2-Mv2③
由②③式得ΔE=④
(3)設物塊下落到地面所需時間為t,落地點距桌面邊緣的水平距離為s,則h=gt2⑤
s=vt⑥
由②⑤⑥式得s=
6.如 17、圖9所示,一條軌道固定在豎直平面內,粗糙的ab段水平,bcde段光滑,cde段是以O為圓心、R為半徑的一小段圓?。梢暈橘|點的物塊A和B緊靠在一起,靜止于b處,A的質量是B的3倍.兩物塊在足夠大的內力作用下突然分離,分別向左、右始終沿軌道運動.B運動到d點時速度沿水平方向,此時軌道對B的支持力大小等于B所受重力的.A與ab段的動摩擦因數為μ,重力加速度為g,求:
圖9
(1)物塊B在d點的速度大小v;
(2)物塊A滑行的距離.
答案 (1) (2)
解析 (1)設B物塊的質量為m,在d點的速度大小為v,B物塊在d點,由牛頓第二定律得:
mg-mg=m,
解得v=.
(2)B 18、物塊從b到d的過程中,由機械能守恒得:
mv=mgR+mv2
A、B物塊分離過程中,由動量守恒定律得:
3mvA=mvB
A物塊減速運動到停止,由動能定理得
-3μmgs=0-×3mv
聯立以上各式解得:s=.
1.如圖1,光滑水平地面上有一具有光滑曲面的靜止滑塊B,可視為質點的小球A從B的曲面上離地面高為h處由靜止釋放,且A可以平穩(wěn)地由B的曲面滑至水平地面.已知A的質量為m,B的質量為3m,重力加速度為g,試求:
圖1
(1)A從B上剛滑至地面時的速度大小;
(2)若A到地面后與地面上的固定擋板P碰撞,之后以原速率反彈,則A返回B的曲面上能到達的最大高度為多少?
19、
答案 (1) (2)h
解析 (1)設A剛滑至地面時速度大小為v1,B速度大小為v2
由水平方向動量守恒得:mv1=3mv2
由機械能守恒得:mgh=mv+×3mv
由以上兩式解得:v1=,v2=
(2)從A與擋板碰后開始,到A追上B并到達最大高度h′,兩物體具有共同速度v,此過程系統(tǒng)水平方向動量守恒:mv1+3mv2=4mv
系統(tǒng)機械能守恒:mgh=×4mv2+mgh′
由以上兩式解得:h′=h.
2.如圖2所示,固定的光滑圓弧面與質量為6 kg的小車C的上表面平滑相接,在圓弧面上有一個質量為2 kg的滑塊A,在小車C的左端有一個質量為2 kg的滑塊B,滑塊A與B均可看做質 20、點.現使滑塊A從距小車的上表面高h=1.25 m處由靜止下滑,與B碰撞后瞬間粘合在一起共同運動,最終沒有從小車C上滑出.已知滑塊A、B與小車C的動摩擦因數均為μ=0.5,小車C與水平地面的摩擦忽略不計,取g=10 m/s2.求:
圖2
(1)滑塊A與B碰撞后瞬間的共同速度的大?。?
(2)小車C上表面的最短長度.
答案 (1)2.5 m/s (2)0.375 m
解析 (1)設滑塊A滑到圓弧末端時的速度大小為v1,由機械能守恒定律有:mAgh=mAv①
代入數據解得v1=5 m/s. ②
設A、B碰后瞬間的共同速度為v2,滑塊A與B碰撞瞬間與車C無關,滑 21、塊A與B組成的系統(tǒng)動量守恒,
mAv1=(mA+mB)v2 ③
代入數據解得v2=2.5 m/s. ④
(2)設小車C上表面的最短長度為L,滑塊A與B最終沒有從小車C上滑出,三者最終速度相同,設為v3,根據動量守恒定律有:(mA+mB)v2=(mA+mB+mC)v3 ⑤
根據能量守恒定律有:μ(mA+mB)gL=(mA+mB)v-(mA+mB+mC)v ⑥
聯立④⑤⑥式代入數據解得L=0.375 m.
3.如圖3所示,在光滑絕緣水平面上方足夠大的區(qū)域內存在水平向右的電場,電場強度為E.不帶電的絕緣小球P2靜止在O點.帶正電的小 22、球P1離小球P2左側的距離為L.現由靜止釋放小球P1,在電場力的作用下P1與P2發(fā)生正碰后反彈,反彈速度是碰前的倍.已知P1的質量為m,帶電荷量為q,P2的質量為5m.求:
圖3
(1)碰撞前瞬間小球P1的速度.
(2)碰撞后瞬間小球P2的速度.
(3)小球P1和小球P2從第一次碰撞到第二次碰撞的時間和位置.
答案 (1) ,方向水平向右 (2),方向水平向右 (3)2 在O點右側處
解析 (1)設碰撞前小球P1的速度為v0,根據動能定理
qEL=mv,解得v0==,方向水平向右
(2)P1、P2碰撞,則碰后P1速度為-v0,設P2速度為v2,由動量守恒定律:mv0=m( 23、-v0)+5mv2
解得v2==,水平向右
(3)碰撞后小球P1先向左后向右做勻變速運動,設加速度為a,則:a=
設P1、P2碰撞后又經Δt時間再次發(fā)生碰撞,且P1受電場力不變,由運動學公式,以水平向右為正方向,則:
-v0Δt+aΔt2=v0Δt,解得:Δt=2
對P2分析:x=v0Δt=
即第二次碰撞時在O點右側處
4.(2018·浙江4月·23)某同學設計了一個電磁推動加噴氣推動的火箭發(fā)射裝置,如圖4所示.豎直固定在絕緣底座上的兩根長直光滑導軌,間距為L.導軌間加有垂直導軌平面向下的勻強磁場B.絕緣火箭支撐在導軌間,總質量為m,其中燃料質量為m′,燃料室中的金屬棒EF電阻為 24、R,并通過電刷與電阻可忽略的導軌良好接觸.引燃火箭下方的推進劑,迅速推動剛性金屬棒CD(電阻可忽略且和導軌接觸良好)向上運動,當回路CEFDC面積減少量達到最大值ΔS,用時Δt,此過程激勵出強電流,產生電磁推力加速火箭.在Δt時間內,電阻R產生的焦耳熱使燃料燃燒形成高溫高壓氣體.當燃燒室下方的可控噴氣孔打開后.噴出燃氣進一步加速火箭.
圖4
(1)求回路在Δt時間內感應電動勢的平均值及通過金屬棒EF的電荷量,并判斷金屬棒EF中的感應電流方向;
(2)經Δt時間火箭恰好脫離導軌,求火箭脫離時的速度v0;(不計空氣阻力)
(3)火箭脫離導軌時,噴氣孔打開,在極短的時間內噴射出質量為m′的燃氣,噴出的燃氣相對噴氣前火箭的速度為v,求噴氣后火箭增加的速度Δv.(提示:可選噴氣前的火箭為參考系)
答案 (1) 向右 (2)-gΔt
(3)v
解析 (1)根據電磁感應定律,有
==
q=Δt==
電流方向向右
(2)平均感應電流==
平均安培力=BL
由動量定理,有(-mg)Δt=mv0
得v0=-gΔt
(3)以噴氣前的火箭為參考系,設豎直向上為正方向,由動量守恒定律
-m′v+(m-m′)Δv=0
得Δv=v.
13
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