高中物理选修5——动量守恒(人船模型).doc

PAGE PAGE 1 角色交换 图2中，轻弹簧的一端固定，另一端与滑块B相连，B静止在水平直导轨上，弹簧处在原长状态。另一质量与B相同滑块A，从导轨上的P点以某一初速度向B滑行，当A滑过距离l1时，与B相碰，碰撞时间极短，碰后A、B紧贴在一起运动，但互不粘连。已知最后A恰好返回出发点P并停止，滑块A和B与导轨的滑动摩擦因数都为，运动过程中弹簧最大形变量为l2，重力加速度为g，求A从P出发时的初速度v0。 图2 解析：令A、B质量皆为m，A刚接触B时速度为v1（碰前） 由功能关系，有 A、B碰撞过程中动量守恒，令碰后A、B共同运动的速度为v2 有 碰后A、B先一起向左运动，接着A、B一起被弹回，在弹簧恢复到原长时，设A、B的共同速度为v3，在这一过程中，弹簧势能始末状态都为零，利用功能关系，有 此后A、B开始分离，A单独向右滑到P点停下，由功能关系有 由以上各式，解得 用轻弹簧相连的质量均为2kg的A、B两物块都以的速度在光滑的水平地面上运动，弹簧处于原长，质量为4kg的物体C静止在前方，如图3所示，B与C碰撞后二者粘在一起运动。求：在以后的运动中， 图3 （1）当弹簧的弹性势能最大时物体A的速度多大？ （2）弹性势能的最大值是多大？ （3）A的速度有可能向左吗？为什么？ 解析：（1）当A、B、C三者的速度相等时弹簧的弹性势能最大，由于A、B、C三者组成的系统动量守恒，有 解得： （2）B、C碰撞时B、C组成的系统动量守恒，设碰后瞬间B、C两者速度为，则 设物块A速度为vA时弹簧的弹性势能最大为EP，根据能量守恒 （3）由系统动量守恒得 设A的速度方向向左，，则 则作用后A、B、C动能之和 实际上系统的机械能 根据能量守恒定律，是不可能的。故A不可能向左运动。 作业评价 如图4所示，在光滑水平长直轨道上，A、B两小球之间有一处于原长的轻质弹簧，弹簧右端与B球连接，左端与A球接触但不粘连，已知，开始时A、B均静止。在A球的左边有一质量为的小球C以初速度向右运动，与A球碰撞后粘连在一起，成为一个复合球D，碰撞时间极短，接着逐渐压缩弹簧并使B球运动，经过一段时间后，D球与弹簧分离（弹簧始终处于弹性限度内）。 图4 （1）上述过程中，弹簧的最大弹性势能是多少？ （2）当弹簧恢复原长时B球速度是多大？ （3）若开始时在B球右侧某位置固定一块挡板（图中未画出），在D球与弹簧分离前使B球与挡板发生碰撞，并在碰后立即将挡板撤走，设B球与挡板碰撞时间极短，碰后B球速度大小不变，但方向相反，试求出此后弹簧的弹性势能最大值的范围。 人船问题 说明：若系统在全过程中动量守恒（包括单方向），则这一系统在全过程中的平均动量也必定守恒。 推导：若两物体组成的系统相互作用前静止，则有： 0 = m1?v1 + m2?v2 即：m1?|S1|= m2?|S2| 例1. 静止在水面上的船长为L，质量为M，一个质量为m的人站在船头，当此人由船头走到船尾时，船移动了多大距离？ 分析：将人和车作为系统，动量守恒，设车向右移动的距离为s船=s，则人向左移动的距离为s人=L－s，取向右为正方向，根据动量守恒定律可得M·s－m（L－s）＝0，从而可解得s. 注意在用位移表示动量守恒时，各位移都是相对地面的，并在选定正方向后位移有正、负之分。 说明： （1）此结论与人在船上行走的速度大小无关。不论是匀速行走还是变速行走，甚至往返行走，只要人最终到达船的左端，那么结论都是相同的。 （2）做这类题目，首先要画好示意图，要特别注意两个物体相对于地面的移动方向和两个物体位移大小之间的关系。 （3）以上所列举的人、船模型的前提是系统初动量为零。如果发生相互作用前系统就具有一定的动量，那就不能再用m1v1=m2v2这种形式列方程，而要利用（m1+m2）v0= m1v1+ m2v2列式。 例2. 在光滑水平面上静止着一辆长为L的小车，其一端固定着靶牌，另一端有一人手拿手枪站在车上，车、靶、人（不含子弹）总质量为M，如图。人开枪，待子弹射中靶牌后再开枪，每发子弹均留在靶中，这样将枪中N发质量为m的子弹全部射出。求：在射击过程中车的位移多大？ 要点：由守恒，知道每一次子弹打入靶中时刻，车的速度都是零。 分析： 解法1：与N发齐发等同，即： N?m?v1 + M?v2 = 0 而 t=L/（|v1|+|v2|） 且 |S1|=|v1|?t，|S2|=|v2|?t |S1|+|S2|=L 联立解得： 解法2：设第一颗子弹射出后船的后退速度为v1'，每发效果相同，即： m?v1 = [M+（N－1）m