第13章 第1课时动量守恒定律及其应用

第1课时动量守恒定律及其应用考纲解读 1.理解动量、动量变化量、动量定理的概念.2.知道动量守恒的条件.3.会利用动量守恒定律分析碰撞、反冲等相互作用问题．1．[对动量、动量变化量的理解]下列说法正确的是() A．速度大的物体，它的动量一定也大B．动量大的物体，它的速度一定也大C．只要物体的运动速度大小不变，物体的动量也保持不变D．物体的动量变化越大则该物体的速度变化一定越大答案 D2．[动量定理的简单应用]从高处跳到低处时，为了安全，一般都是让脚尖着地，这样做是为了() A．减小冲量B．减小动量的变化量C．增大与地面的冲击时间，从而减小冲力D．增大人对地面的压强，起到安全作用答案 C解析脚尖先着地，接着逐渐到整只脚着地，延长了人落地时动量变化所用的时间，由动量定理可知，人落地动量变化量一定，这样就减小了地面对人的冲力，故C正确．3．[动量守恒的判断]把一支弹簧枪水平固定在小车上，小车放在光滑水平地面上，枪射出一颗子弹时，关于枪、弹、车，下列说法正确的是() A．枪和弹组成的系统动量守恒B．枪和车组成的系统动量守恒C．枪弹和枪筒之间的摩擦力很小，可以忽略不计，故二者组成的系统动量近似守恒D．枪、弹、车三者组成的系统动量守恒答案 D解析内力、外力取决于系统的划分．以枪和弹组成的系统，车对枪的作用力是外力，系统动量不守恒．枪和车组成的系统受到系统外弹簧对枪的作用力，系统动量不守恒．枪弹和枪筒之间的摩擦力属于内力，但枪筒受到车的作用力，属于外力，故二者组成的系统动量不守恒．枪、弹、车组成的系统所受合外力为零，系统动量守恒，故D 正确． 4．[动量守恒定律的简单应用]在光滑水平面上，一质量为m 、速度大小为v 的A 球与质量为2m 、静止的B 球碰撞后，A 球的速度方向与碰撞前相反．则碰撞后B 球的速度大小可能是( )A ．0.6vB ．0.4vC ．0.3vD ．0.2v答案 A解析 设碰撞后A 球的速度大小为v A ，B 球的速度大小为v B ，碰撞前A 球的运动方向为正方向．根据动量守恒定律得：m v ＝2m v B －m v A 化简可得，v A ＝2v B －v ，因v A >0，所以v B >v2，故只有A 项正确．1．动量(1)表达式：p ＝m v . (2)动量的性质①矢量性：方向与瞬时速度方向相同．②瞬时性：动量是描述物体运动状态的量，是针对某一时刻而言的． ③相对性：大小与参考系的选取有关，通常情况是指相对地面的动量． (3)动量、动能、动量的变化量的关系 ①动量的变化量：Δp ＝p ′－p . ②动能和动量的关系：E k ＝p 22m.2．动量定理：物体在一个过程始末的动量变化量等于它在这个过程中所受力的冲量． 3．动量守恒定律(1)守恒条件①理想守恒：系统不受外力或所受外力的合力为零，则系统动量守恒．②近似守恒：系统受到的合力不为零，但当内力远大于外力时，系统的动量可近似看成守恒．③分方向守恒：系统在某个方向上所受合力为零时，系统在该方向上动量守恒． (2)动量守恒定律的表达式m 1v 1＋m 2v 2＝m 1v 1′＋m 2v 2′或Δp 1＝－Δp 2.考点一动量定理的理解与应用1．动量定理的表达式是一个矢量式，应用动量定理时需要规定正方向．2．动量定理公式中F是研究对象所受的包括重力在内的所有外力的合力，它可以是恒力，也可以是变力，当合外力为变力时，F应该是合外力在作用时间内的平均值．3．动量定理的研究对象是单个物体或系统．4．动量定理中的冲量是合外力的冲量，而不是某一个力的冲量．在所研究的物理过程中，如果作用在物体上的各个外力的作用时间相同，求合外力的冲量时，可以先求所有外力的合力，然后再乘以力的作用时间，也可以先求每个外力在作用时间内的冲量，然后再求所有外力冲量的矢量和．如果作用在物体上各外力的作用时间不同，就只能先求每一个外力在其作用时间内的冲量，然后再求所有外力冲量的矢量和．5．动量定理中I是合外力的冲量，是使研究对象的动量发生变化的原因，并非产生动量的原因，不能认为合外力的冲量就是动量的变化．合外力的冲量是引起研究对象状态变化的外在因素，而动量的变化是合外力冲量作用后导致的必然结果．6．动量定理不仅适用于宏观物体的低速运动，对微观物体和高速运动仍然适用．例1在水平力F＝30 N的作用下，质量m＝5 kg的物体由静止开始沿水平面运动．已知物体与水平面间的动摩擦因数μ＝0.2，若F作用6 s后撤去，撤去F后物体还能向前运动多长时间才停止？(g取10 m/s2)答案12 s解析解法一用动量定理解，分段处理，选物体为研究对象，对于撤去F前物体做匀加速运动的过程，受力情况如图甲所示，始态速度为零，终态速度为v，取水平力F 的方向为正方向，根据动量定理有(F－μmg)t1＝m v－0.对于撤去F后，物体做匀减速运动的过程，受力情况如图乙所示，始态速度为v，终态速度为零．根据动量定理有－μmgt2＝0－m v.以上两式联立解得t2＝F－μmgμmg t1＝30－0.2×5×100.2×5×10×6 s＝12 s.解法二用动量定理解，研究全过程．选物体作为研究对象，研究整个运动过程，这个过程的始、终状态的物体速度都等于零．取水平力F的方向为正方向，根据动量定理得(F －μmg )t 1＋(－μmg )t 2＝0解得t 2＝F －μmg t 1＝30－0.2×5×100.2×5×10×6 s ＝12 s突破训练1 一质量为0.10 kg 的小球从0.80 m 高处自由下落到一软垫上．若从小球接触软垫到小球陷至最低点经历了0.20 s ，则这段时间内软垫对小球的平均作用力大小为________；若小球落在小泥地面上，反弹高度为0.2 m ，小球与地面接触经历了0.01 s ，则这段时间内地面对小球的平均作用力大小为________．(g 取10 m/s 2) 答案 3 N 61 N解析 (1)小球自由下落0.80 m 时速度大小为：v ＝2gH ＝4 m/s ，小球在和软垫(或地面)碰撞过程中，受重力和软垫弹力作用，若选竖直向上为正方向，则由动量定理得(F －mg )t ＝0－m (－v )，F ＝m vt ＋mg ，F ＝0.10×4/0.20 N ＋0.10×10 N ＝3 N.(2)小球落到水泥地面上，反弹速度大小为v ′＝2gH 1＝2 m/s ，由动量定理得(F ′－mg )t ′＝m v ′－m (－v )，F ′＝61 N. 考点二 动量守恒的判断1．动量守恒定律的研究对象都是相互作用的物体组成的系统．系统的动量是否守恒，与选择哪几个物体作为系统和分析哪一段运动过程有直接关系．2．分析系统内物体受力时，要弄清哪些是系统的内力，哪些是系统外的物体对系统的作用力．例2 一颗子弹水平射入置于光滑水平面上的木块A 并留在其中，A 、B 用一根弹性良好的轻质弹簧连在一起，如图1所示．则在子弹打击木块A 及弹簧被压缩的过程中，对子弹、两木块和弹簧组成的系统( )图1A ．动量守恒，机械能守恒B ．动量不守恒，机械能守恒C ．动量守恒，机械能不守恒D ．无法判定动量、机械能是否守恒解析 动量守恒的条件是系统不受外力或所受外力的合力为零，本题中子弹、两木块、弹簧组成的系统，水平方向上不受外力，竖直方向上所受外力的合力为零，所以动量守恒．机械能守恒的条件是除重力、弹力对系统做功外，其他力对系统不做功，本题中子弹射入木块瞬间有部分机械能转化为内能(发热)，所以系统的机械能不守恒．故C 正确，A 、B 、D 错误．答案 C突破训练2如图2所示，A、B两物体的中间用一段细绳相连并有一压缩的弹簧，放在平板小车C上后，A、B、C均处于静止状态．若地面光滑，则在细绳被剪断后，A、B从C上未滑离之前，A、B在C上向相反方向滑动的过程中()图2A．若A、B与C之间的摩擦力大小相同，则A、B及弹簧组成的系统动量守恒，A、B、C及弹簧组成的系统动量守恒B．若A、B与C之间的摩擦力大小相同，则A、B及弹簧组成的系统动量不守恒，A、B、C及弹簧组成的系统动量守恒C．若A、B与C之间的摩擦力大小不相同，则A、B及弹簧组成的系统动量不守恒，A、B、C及弹簧组成的系统动量不守恒D．若A、B与C之间的摩擦力大小不相同，则A、B及弹簧组成的系统动量不守恒，A、B、C及弹簧组成的系统动量守恒答案AD解析当A、B两物体及弹簧组成一个系统时，弹簧的弹力为内力，而A、B与C之间的摩擦力为外力．当A、B与C之间的摩擦力大小不相等时，A、B及弹簧组成的系统所受合外力不为零，动量不守恒；当A、B与C之间的摩擦力大小相等时，A、B及弹簧组成的系统所受合外力为零，动量守恒．对A、B、C及弹簧组成的系统，弹簧的弹力及A、B与C之间的摩擦力均属于内力，无论A、B与C之间的摩擦力大小是否相等，系统所受的合外力均为零，系统的动量守恒．故选项A、D正确．考点二动量守恒定律的理解与应用1．动量守恒定律的不同表达形式(1)m1v1＋m2v2＝m1v1′＋m2v2′，相互作用的两个物体组成的系统，作用前的动量和等于作用后的动量和．(2)Δp1＝－Δp2，相互作用的两个物体动量的增量等大反向．(3)Δp＝0，系统总动量的增量为零．2．应用动量守恒定律解题的步骤(1)明确研究对象，确定系统的组成(系统包括哪几个物体及研究的过程)；(2)进行受力分析，判断系统动量是否守恒(或某一方向上动量是否守恒)；(3)规定正方向，确定初、末状态动量；(4)由动量守恒定律列出方程；(5)代入数据，求出结果，必要时讨论说明．例3 (2012·山东理综·38(2))如图3所示，光滑水平轨道上有三个木块A 、B 、C ，质量分别为m A ＝3m 、m B ＝m C ＝m ，开始时B 、C 均静止，A 以初速度v 0向右运动，A 与B 碰撞后分开，B 又与C 发生碰撞并粘在一起，此后A 与B 间的距离保持不变．求B 与C 碰撞前B 的速度大小．图3解析 设A 与B 碰撞后，A 的速度为v A ，B 与C 碰撞前B 的速度为v B ，B 与C 碰撞后粘在一起的速度为v ，由动量守恒定律得 对A 、B 木块：m A v 0＝m A v A ＋m B v B① 对B 、C 木块：m B v B ＝(m B ＋m C )v②由A 与B 间的距离保持不变可知 v A ＝v③联立①②③式，代入数据得 v B ＝65v 0.答案 65v 01．在同一物理过程中，系统的动量是否守恒与系统的选取密切相关，因此应用动量守恒解决问题时，一定要明确哪些物体组成的系统在哪个过程中动量是守恒的．2．注意挖掘题目中的隐含条件，这是解题的关键，如本例中，撞后A 、B 间的距离不变的含义是碰后A 、B 的速度相同．突破训练3 如图4所示，质量均为m 的小车与木箱紧挨着静止在光滑的水平冰面上，质量为2m 的小明站在小车上用力向右迅速推出木箱，木箱相对于冰面的速度为v ，接着木箱与右侧竖直墙壁发生弹性碰撞，反弹后被小明接住，求小明接住木箱后三者共同速度的大小．图4答案 v 2解析 取向左为正方向，根据动量守恒定律得 推出木箱的过程有0＝(m ＋2m )v 1－m v接住木箱的过程有m v ＋(m ＋2m )v 1＝(m ＋m ＋2m )v 2解得共同速度v 2＝v2考点三 碰撞现象的特点和规律 1．碰撞的种类及特点2(1)动量守恒定律． (2)机械能不增加． (3)速度要合理：①若碰前两物体同向运动，则应有v 后>v 前，碰后原来在前的物体速度一定增大，若碰后两物体同向运动，则应有v 前′≥v 后′.②碰前两物体相向运动，碰后两物体的运动方向不可能都不改变． 3．弹性碰撞的规律两球发生弹性碰撞时满足动量守恒定律和机械能守恒定律．以质量为m 1，速度为v 1的小球与质量为m 2的静止小球发生对心弹性碰撞为例，则有m 1v 1＝m 1v 1′＋m 2v 2′ 12m 1v 21＝12m 1v 1′2 ＋12m 2v 2′2 解得v 1′＝(m 1－m 2)v 1m 1＋m 2，v 2′＝2m 1v 1m 1＋m 2结论 1.当两球质量相等时，v 1′＝0，v 2′＝v 1，两球碰撞后交换速度． 2．当质量大的球碰质量小的球时，v 1′>0，v 2′>0，碰撞后两球都向前运动． 3．当质量小的球碰质量大的球时，v 1′<0，v 2′>0，碰撞后质量小的球被反弹回来． 例4 (2011·课标全国·35(2))如图5，A 、B 、C 三个木块的质量均为m ，置于光滑的水平桌面上，B 、C 之间有一轻质弹簧，弹簧的两端与木块接触而不固连．将弹簧压紧到不能再压缩时用细线(细线未画出)把B 和C 紧连，使弹簧不能伸展，以至于B 、C 可视为一个整体．现A 以初速度v 0沿B 、C 的连线方向朝B 运动，与B 相碰并粘合在一起．以后细线突然断开，弹簧伸展，从而使C 与A 、B 分离．已知C 离开弹簧后的速度恰为v 0.求弹簧释放的势能．图5解析 设碰后A 、B 和C 的共同速度的大小为v ，由动量守恒定律得m v 0＝3m v ①设C 离开弹簧时，A 、B 的速度大小为v 1，由动量守恒定律得 3m v ＝2m v 1＋m v 0②设弹簧的弹性势能为E p ，从细线断开到C 与弹簧分开的过程中机械能守恒，有12(3m )v 2＋E p ＝12(2m )v 21＋12m v 2③由①②③式得弹簧释放的势能为 E p ＝13m v 20答案 13m v 20含有弹簧的碰撞问题，在碰撞过程中系统的机械能不一定守恒，如本例中，弹簧伸展之前，A 与B 碰撞的过程为完全非弹性碰撞，但在碰撞结束后，弹簧伸展的过程中，系统的动量和机械能均守恒．突破训练4 如图6所示，物体A 静止在光滑平直轨道上，其左端固定有轻质弹簧，物体B 以速度v 0＝2.0 m/s 沿轨道向物体A 运动，并通过弹簧与物体A 发生相互作用，设A 、B 两物体的质量均为m ＝2 kg ，求当物体A 的速度多大时，A 、B 组成的系统动能损失最大？损失的最大动能为多少？图6答案 1.0 m/s 2 J解析 当两物体速度相等时，弹簧压缩量最大，系统损失的动能最大．由动量守恒定律知m v 0＝2m v 所以v ＝v 02＝1.0 m/s损失的动能为ΔE k ＝12m v 20－12×2m ×v 2＝2 J.52．动量和能量观点的综合应用1．动量的观点和能量的观点动量的观点：动量守恒定律能量的观点：动能定理和能量守恒定律这两个观点研究的是物体或系统运动变化所经历的过程中状态的改变，不对过程变化的细节作深入的研究，而关心运动状态变化的结果及引起变化的原因．简单地说，只要求知道过程的初、末状态动量式、动能式和力在过程中所做的功，即可对问题进行求解． 2．利用动量的观点和能量的观点解题应注意下列问题(1)动量守恒定律是矢量表达式，还可写出分量表达式；而动能定理和能量守恒定律是标量表达式，绝无分量表达式．(2)中学阶段凡可用力和运动的观点解决的问题，若用动量的观点或能量的观点求解，一般都要比用力和运动的观点要简便，而中学阶段涉及的曲线运动(a 不恒定)、竖直面内的圆周运动、碰撞等，就中学知识而言，不可能单纯考虑用力和运动的观点求解． 例5 (2012·新课标全国·35(2))如图7所示，小球a 、b 用等长细线悬挂于同一固定点O .让球a 静止下垂，将球b 向右拉起，使细线水平．从静止释放球b ，两球碰后粘在一起向左摆动，此后细线与竖直方向之间的最大偏角为60°.忽略空气阻力，求：图7(ⅰ)两球a 、b 的质量之比；(ⅱ)两球在碰撞过程中损失的机械能与球b 在碰前的最大动能之比．解析 (ⅰ)设球b 的质量为m 2，细线长为L ，球b 下落至最低点但未与球a 相碰时的速率为v ，由机械能守恒定律得 m 2gL ＝12m 2v 2①式中g 是重力加速度的大小．设球a 的质量为m 1；在两球碰后的瞬间，两球共同速度为v ′，以向左为正．由动量守恒定律得m 2v ＝(m 1＋m 2)v ′②设两球共同向左运动到最高处时，细线与竖直方向的夹角为θ，由机械能守恒定律得 12(m 1＋m 2)v ′2＝(m 1＋m 2)gL (1－cos θ) ③ 联立①②③式得m 1m 2＝11－cos θ－1④ 代入题给数据得m 1m 2＝2－1⑤(ⅱ)两球在碰撞过程中的机械能损失为 Q ＝m 2gL －(m 1＋m 2)gL (1－cos θ)⑥联立①⑥式，Q 与碰前球b 的最大动能E k (E k ＝12m 2v 2)之比为QE k ＝1－m 1＋m 2m 2(1－cos θ)⑦联立⑤⑦式，并代入题给数据得Q E k ＝1－22答案 (ⅰ)2－1 (ⅱ)1－22解决动量守恒和能量守恒的综合应用问题时，要掌握碰撞过程中的能量变化规律，虽然碰撞过程中动量守恒，但能量不一定守恒，还要知道没有能量损失和能量损失最大时的碰撞特点．突破训练5 如图8所示，在光滑水平面上有一辆质量M ＝8 kg 的平板小车，车上有一个质量m ＝1.9 kg 的木块，木块距小车左端6 m(木块可视为质点)，车与木块一起以v ＝1 m /s 的速度水平向右匀速行驶．一颗质量m 0＝0.1 kg 的子弹以v 0＝179 m/s 的速度水平向左飞来，瞬间击中木块并留在其中．如果木块刚好不从车上掉下来，求木块与平板小车之间的动摩擦因数μ.(g ＝10 m/s 2)图8答案 0.54解析 以子弹和木块组成的系统为研究对象，设子弹射入木块后两者的共同速度为v 1，以水平向左为正方向，则由动量守恒有：m 0v 0－m v ＝(m ＋m 0)v 1①解得v 1＝8 m/s它们恰好不从小车上掉下来，则它们相对平板小车滑行距离x ＝6 m 时它们跟小车具有共同速度v 2，则由动量守恒定律有(m ＋m 0)v 1－M v ＝(m ＋m 0＋M )v 2②解得v 2＝0.8 m/s 由能量守恒定律有μ(m 0＋m )gx ＝12(m ＋m 0)v 21＋12M v 2－12(m 0＋m ＋M )v 22③由①②③，代入数据解得μ＝0.54高考题组1．(2013·福建理综·30(2))将静置在地面上，质量为M (含燃料)的火箭模型点火升空，在极短时间内以相对地面的速度v 0竖直向下喷出质量为m 的炽热气体．忽略喷气过程重力和空气阻力的影响，则喷气结束时火箭模型获得的速度大小是________．(填选项前的字母)A.mMv 0 B.M m v 0 C.M M －m v 0D.m M －m v 0答案 D解析 根据动量守恒定律m v 0＝(M －m )v ，得v ＝mM －m v 0，故D 正确．2．(2013·山东理综·38(2))如图9所示，光滑水平轨道上放置长板A (上表面粗糙)和滑块C ，滑块B 置于A 的左端，三者质量分别为m A ＝2 kg 、m B ＝1 kg 、m C ＝2 kg.开始时C 静止．A 、B 一起以v 0＝5 m/s 的速度匀速向右运动，A 与C 发生碰撞(时间极短)后C 向右运动，经过一段时间，A 、B 再次达到共同速度一起向右运动，且恰好不再与C 发生碰撞．求A 与C 碰撞后瞬间A 的速度大小．图9答案 2 m/s解析 因碰撞时间极短，A 与C 碰撞过程动量守恒，设碰后瞬间A 的速度为v A ，C 的速度为v C ，以向右为正方向，由动量守恒定律得m A v 0＝m A v A ＋m C v C①A 与B 在摩擦力作用下达到共同速度，设共同速度为v AB ，由动量守恒定律得 m A v A ＋m B v 0＝(m A ＋m B )v AB②A 与B 达到共同速度后恰好不再与C 碰撞，应满足 v AB ＝v C③联立①②③式，代入数据得 v A ＝2 m/s3．(2013·全国新课标Ⅱ·35(2))如图10，光滑水平直轨道上有三个质量均为m 的物块A 、B 、C .B 的左侧固定一轻弹簧(弹簧左侧的挡板质量不计)．设A 以速度v 0朝B 运动，压缩弹簧；当A 、 B 速度相等时，B 与C 恰好相碰并粘接在一起，然后继续运动．假设B 和C 碰撞过程时间极短．求从A 开始压缩弹簧直至与弹簧分离的过程中，图10(ⅰ)整个系统损失的机械能； (ⅱ)弹簧被压缩到最短时的弹性势能． 答案 (ⅰ)116m v 20 (ⅱ)1348m v 2解析 (ⅰ)从A 压缩弹簧到A 与B 具有相同速度v 1时，对A 、B 与弹簧组成的系统，由动量守恒定律得m v 0＝2m v 1①此时B 与C 发生完全非弹性碰撞，设碰撞后的瞬时速度为v 2，损失的机械能为ΔE ，对B 、C 组成的系统，由动量守恒定律和能量守恒定律得 m v 1＝2m v 2② 12m v 21＝ΔE ＋12×(2m )v 22③联立①②③式得 ΔE ＝116m v 20④(ⅱ)由②式可知v 2＜v 1，A 将继续压缩弹簧，直至A 、B 、C 三者速度相同，设此速度为v 3，此时弹簧被压缩至最短，其弹性势能为E p ，由动量守恒定律和能量守恒定律得 m v 0＝3m v 3⑤ 12m v 20－ΔE ＝12×(3m )v 23＋E p⑥联立④⑤⑥式得 E p ＝1348m v 20⑦模拟题组4．蹦床是运动员在一张绷紧的弹性网上蹦跳、翻滚并在空中做各种动作的运动项目，一个质量为60 kg 的运动员，从离水平网面高3.2 m 处自由下落，着网后沿竖直方向蹦回到离水平网面高5.0 m 处．已知运动员与网接触的时间为1.2 s ．若把在这段时间内网对运动员的作用力当做恒力处理，求此力的大小．(g 取10 m/s 2) 答案 1.5×103 N解析 运动员从高3.2 m 处自由下落的时间为t 1＝ 2h 1g＝0.8 s ，运动员弹回高5.0 m 处所用的时间为t 2＝2h 2g＝1 s ，整个过程中运动员始终受到重力作用，仅在与网接触的过程中才受到网对他向上的弹力F 的作用，对全过程运用动量定理，有Ft 3－mg (t 1＋t 2＋t 3)＝0所以F ＝t 1＋t 2＋t 3t 3mg ＝0.8＋1＋1.21.2×60×10 N ＝1.5×103 N ，方向向上．5．如图11所示，将质量为m 1、初速度大小为v 0、仰角为θ的铅球抛入一个装有砂子的总质量为M 的静止的砂车中，砂车与水平地面间的摩擦可以忽略．求：图11(1)铅球和砂车的共同速度；(2)铅球和砂车获得共同速度后，砂车底部出现一小孔，砂子从小孔中流出，当漏出质量为m 2的砂子时砂车的速度． 答案 (1)m 1v 0cos θm 1＋M (2)m 1v 0cos θm 1＋M解析 (1)取铅球和砂车为一系统，由水平方向动量守恒得m 1v 0cos θ＝(m 1＋M )v ，解得：v ＝m 1v 0cos θm 1＋M(2)由于惯性，砂子从小孔中流出时，在水平方向的速度与漏砂前车的速度相同，则由(m 1＋M )v ＝m 2v ＋(m 1＋M －m 2)v ′可得v ′＝v ＝m 1v 0cos θm 1＋M.6．如图12所示，光滑坡道顶端距水平面高度为h ，质量为m 1的小物块A 从坡道顶端由静止滑下进入水平面，在坡道末端O 点无机械能损失．现将轻弹簧的一端固定在M 处的墙上，另一端与质量为m 2的物块B 相连．A 从坡道上滑下来后与B 碰撞的时间极短，碰后A 、B 结合在一起共同压缩弹簧．各处摩擦不计，重力加速度为g ，求：图12(1)A 在与B 碰撞前瞬时速度v 的大小； (2)A 与B 碰后瞬间的速度v ′的大小； (3)弹簧被压缩到最短时的弹性势能E p . 答案 (1)2gh (2)m 1m 1＋m 22gh (3)m 21ghm 1＋m 2解析 (1)由机械能守恒定律得m 1gh ＝12m 1v 2v ＝2gh(2)A 、B 在碰撞过程中，由动量守恒定律得： m 1v ＝(m 1＋m 2)v ′ v ′＝m 1m 1＋m 22gh(3)A 、B 速度v ′减为零时，弹簧被压缩到最短，由机械能守恒定律得E p ＝12(m 1＋m 2)v ′2＝m 21gh m 1＋m 2(限时：30分钟)►题组1 动量定理的应用1．质量为60 kg 的建筑工人，不慎从高空跌下，幸好弹性安全带的保护，使他悬挂起来．已知弹性安全带的缓冲时间是1.2 s ，安全带长5 m ，g 取10 m/s 2，则安全带所受的平均冲力的大小为( )A ．500 NB ．1 100 NC ．600 ND ．100 N答案 B解析 选取人为研究对象，人自由下落过程中由v 2＝2gh ，v ＝10 m/s ，缓冲过程由动量定理得(F －mg )t ＝m v ，F ＝m vt ＋mg ＝1100 N ．由牛顿第三定律可知，安全带所受的平均冲力为1 100 N.2．质量为1 kg 的物体做直线运动，其速度图象如图1所示，则物体在前10 s 内和后10 s内所受外力的冲量分别是( )图1A ．10 N·s,10 N·sB ．10 N·s ，－10 N·sC ．0.10 N·sD ．0，－10 N·s 答案 D解析 由题图可知，在前10 s 内初、末状态的动量相等，p 1＝p 2＝5 kg·m /s ，由动量定理知I 1＝0；在后10 s 内p 3＝－5 kg·m/s ，I 2＝p 3－p 2＝－10 N·s ，故选D. ►题组2 动量守恒的判断3．如图2所示，一内外侧均光滑的半圆柱槽置于光滑的水平面上．槽的左侧有一竖直墙壁．现让一小球(可认为质点)自左端槽口A 点的正上方从静止开始下落，与半圆柱槽相切并从A 点进入槽内．则下列说法正确的是( )图2A．小球离开右侧槽口以后，将做竖直上抛运动B．小球在槽内运动的全过程中，只有重力对小球做功C．小球在槽内运动的全过程中，小球与槽组成的系统机械能守恒D．小球在槽内运动的全过程中，小球与槽组成的系统水平方向动量不守恒答案CD解析小球从下落到最低点的过程中，槽没有动，与竖直墙之间存在挤压，动量不守恒；小球经过最低点往上运动的过程中，槽与竖直墙分离，水平方向动量守恒；全过程中有一段时间系统受竖直墙弹力的作用，故全过程系统水平方向动量不守恒，选项D正确；小球离开右侧槽口时，水平方向有速度，将做斜抛运动，选项A错误；小球经过最低点往上运动的过程中，槽往右运动，槽对小球的支持力对小球做负功，小球对槽的压力对槽做正功，系统机械能守恒，选项B错误，C正确．4．如图3所示，两物体A、B用轻质弹簧相连静止在光滑水平面上，现同时对A、B两物体施加等大反向的水平恒力F1、F2，使A、B同时由静止开始运动，在运动过程中，对A、B两物体及弹簧组成的系统，说法正确的是(弹簧不超过其弹性限度) ()图3A．动量始终守恒B．机械能不断增加C．当弹簧伸长到最长时，系统的机械能最大D．当弹簧弹力的大小与F1、F2的大小相等时，A、B两物体速度为零答案AC解析弹簧的弹力属于系统内力，水平恒力F1、F2等大反向，系统所受合外力为零，所以动量守恒，选项A正确；刚开始，弹簧弹力小于水平恒力，两物体均做加速运动，弹簧被拉长，当弹力的大小与恒力相等时，合力为零，两物体的速度均达到最大，之后，弹簧继续被拉长，弹力大于水平恒力，两物体开始做减速运动，当弹簧被拉伸到最长时，两物体速度减为零，在此过程中，两个外力均对系统做正功，所以系统的机械能逐渐增加；此后，两物体返回，水平恒力均对物体做负功，系统的机械能逐渐减小，根据以上分析，选项C正确，选项B、D错误．►题组3 动量守恒定律的应用5．如图4所示，一辆小车静止在光滑水平面上，A 、B 两人分别站在车的两端．当两人同时相向运动时( )图4A ．若小车不动，两人速率一定相等B ．若小车向左运动，A 的动量一定比B 的小C ．若小车向左运动，A 的动量一定比B 的大D ．若小车向右运动，A 的动量一定比B 的大 答案 C解析 根据动量守恒可知，若小车不动，两人的动量大小一定相等，因不知两人的质量，故选项A 错误．若小车向左运动，A 的动量一定比B 的大，故选项B 错误，C 正确．若小车向右运动，A 的动量一定比B 的小，故选项D 错误．6．(2012·福建理综·29(2))如图5所示，质量为M 的小船在静止水面上以速率v 0向右匀速行驶，一质量为m 的救生员站在船尾，相对小船静止．若救生员以相对水面速率v 水平向左跃入水中，则救生员跃出后小船的速率为( )图5A ．v 0＋m MvB ．v 0－mM vC ．v 0＋mM (v 0＋v )D ．v 0＋mM(v 0－v )答案 C解析 以v 0的方向为正方向，小船和救生员组成的系统满足动量守恒： (M ＋m )v 0＝m ·(－v )＋M v ′ 解得v ′＝v 0＋mM(v 0＋v )故C 项正确，A 、B 、D 项均错．7．如图6所示，进行太空行走的宇航员A 和B 的质量分别为80 kg 和100 kg ，他们携手远离空间站，相对空间站的速度为0.1 m /s.A 将B 向空间站方向轻推后，A 的速度变为0.2 m/s ，求此时B 的速度大小和方向．。