高考物理动量守恒定律(一)解题方法和技巧及练习题及解析

高考物理动量守恒定律(一)解题方法和技巧及练习题及解析
一、高考物理精讲专题动量守恒定律
1．如图所示，一个带圆弧轨道的平台固定在水平地面上，光滑圆弧MN 的半径为R =3.2m ，水平部分NP 长L =3.5m ，物体B 静止在足够长的平板小车C 上，B 与小车的接触面光滑，小车的左端紧贴平台的右端．从M 点由静止释放的物体A 滑至轨道最右端P 点后再滑上小车，物体A 滑上小车后若与物体B 相碰必粘在一起，它们间无竖直作用力．A 与平台水平轨道和小车上表面的动摩擦因数都为0.4，且最大静摩擦力与滑动摩擦力大小相等．物体A 、B 和小车C 的质量均为1kg ，取g =10m/s 2．求
(1)物体A 进入N 点前瞬间对轨道的压力大小？ (2)物体A 在NP 上运动的时间？ (3)物体A 最终离小车左端的距离为多少？
【答案】(1)物体A 进入N 点前瞬间对轨道的压力大小为30N ； (2)物体A 在NP 上运动的时间为0.5s (3)物体A 最终离小车左端的距离为3316
m 【解析】
试题分析：（1）物体A 由M 到N 过程中，由动能定理得：m A gR=m A v N 2 在N 点，由牛顿定律得 F N -m A g=m A 联立解得F N =3m A g=30N
由牛顿第三定律得，物体A 进入轨道前瞬间对轨道压力大小为：F N ′=3m A g=30N （2）物体A 在平台上运动过程中 μm A g=m A a L=v N t-at 2
代入数据解得 t=0.5s t=3.5s(不合题意，舍去) （3）物体A 刚滑上小车时速度 v 1= v N -at=6m/s
从物体A 滑上小车到相对小车静止过程中，小车、物体A 组成系统动量守恒，而物体B 保持静止 (m A + m C )v 2= m A v 1 小车最终速度 v 2=3m/s
此过程中A 相对小车的位移为L 1，则
2211211222mgL mv mv μ=-⨯解得：L 1＝94
m
物体A 与小车匀速运动直到A 碰到物体B ，A ，B 相互作用的过程中动量守恒： (m A + m B )v 3= m A v 2
此后A ，B 组成的系统与小车发生相互作用，动量守恒，且达到共同速度v 4 (m A + m B )v 3+m C v 2=" (m"A +m B +m C ) v 4 此过程中A 相对小车的位移大小为L 2，则
222223*********mgL mv mv mv μ=+⨯-⨯解得：L 2＝
316
m 物体A 最终离小车左端的距离为x=L 1-L 2=
3316
m 考点：牛顿第二定律；动量守恒定律；能量守恒定律.
2．（1）（6分）一质子束入射到静止靶核AI 27
13上，产生如下核反应：p+AI 27
13→x+n 式中p 代表质子，n 代表中子，x 代表核反应产生的新核。

由反应式可知，新核x 的质子数为 ，中子数为 。

（2）（9分）在粗糙的水平桌面上有两个静止的木块A 和B ，两者相距为d 。

现给A 一初速度，使A 与B 发生弹性正碰，碰撞时间极短：当两木块都停止运动后，相距仍然为d 。

已知两木块与桌面之间的动摩擦因数均为μ，B 的质量为A 的2倍，重力加速度大小为
g 。

求A 的初速度的大小。

【答案】（1）14 13 （2
【解析】（1）由127271
113140H Al X n +→+，由质量数守恒定律和电荷数守恒可得，新核的
质子数为14，中子数为13。

（2）设物块A 的初速度为0v ，运动距离d 的速度为v ，A 、B 碰后的速度分别为v 1、v 2，运动的距离分别为x 1、x 2，由于A 、B 发生弹性正碰,时间极短,所以碰撞墙后动量守恒，动能守恒，有
12A A B m v m v m v =+ ①
22212111
222
A A
B m v m v m v =+ ② ①②联立解得113A
B A B m m v v v m m -==-+ ③ 222
3
A A
B m v v v m m ==+ ④ A 、B 与地面的动摩擦因数均为μ，有动能定理得2
11102
A m gx mv μ-=-
⑤ 2
22
102
B m gx mv μ-=- ⑥ 由题意知12x x d += ⑦ 再由22
1122
A A A m gd m v m v μ-=
- ⑧
联立③至⑧式解得0v =
=⑨
另解：由牛顿第二定律得mg ma μ=,⑤ 所以A 、B 的加速度均为a g μ= ⑥
A 、
B 均做匀减速直线运动
对A 物体有：碰前22
02v v ad =- ⑦
碰后:A 物体反向匀减速运动：2
1102v ax =- ⑧
对B 物体有2
2202v ax =- ⑨
由题意知12x x d += ⑩ ②③⑤⑦⑧⑨联立解得18
5
v gd μ=
(11) 将上式带入⑥解得028
5.65
v gd gd μμ=
= (12) 【考点定位】动量守恒定律、弹性正碰、匀减速直线运动规律、动能定理、牛顿第二定律。

3．如图所示，甲、乙两船的总质量（包括船、人和货物）分别为10m 、12m ，两船沿同一直线、同一方向运动，速度分别为2v 0、v 0．为避免两船相撞，乙船上的人将一质量为m 的货物沿水平方向抛向甲船，甲船上的人将货物接住，求抛出货物的最小速度．（不计水的阻力）
【答案】04v 【解析】 【分析】
在抛货物的过程中，乙船与货物组成的动量守恒，在接货物的过程中，甲船与货物组成的系统动量守恒，在甲接住货物后，甲船的速度小于等于乙船速度，则两船不会相撞，应用动量守恒定律可以解题． 【详解】
设抛出货物的速度为v ，以向右为正方向，由动量守恒定律得：乙船与货物：
12mv 0=11mv 1-mv ，甲船与货物：10m×2v 0-mv=11mv 2，两船不相撞的条件是：v 2≤v 1，解得：v≥4v 0，则最小速度为4v 0． 【点睛】
本题关键是知道两船避免碰撞的临界条件是速度相等，应用动量守恒即可正确解题，解题时注意研究对象的选择以及正方向的选择．
4．一列火车总质量为M ，在平直轨道上以速度v 匀速行驶，突然最后一节质量为m 的车厢脱钩，假设火车所受的阻力与质量成正比，牵引力不变，当最后一节车厢刚好静止时，前面火车的速度大小为多少？ 【答案】Mv/(M-m) 【解析】 【详解】
因整车匀速运动，故整体合外力为零；脱钩后合外力仍为零，系统的动量守恒． 取列车原来速度方向为正方向．由动量守恒定律，可得()0Mv M m v m =-'+⨯ 解得，前面列车的速度为Mv
v M m
'=
-；
5．如图，两块相同平板P 1、P 2置于光滑水平面上，质量均为m ＝0.1kg ．P 2的右端固定一轻质弹簧，物体P 置于P 1的最右端，质量为M ＝0.2kg 且可看作质点．P 1与P 以共同速度v 0＝4m/s 向右运动，与静止的P 2发生碰撞，碰撞时间极短，碰撞后P 1与P 2粘连在一起，P 压缩弹簧后被弹回(弹簧始终在弹性限度内)．平板P 1的长度L ＝1m ，P 与P 1之间的动摩擦因数为μ＝0.2，P 2上表面光滑．求：
(1)P 1、P 2刚碰完时的共同速度v 1； (2)此过程中弹簧的最大弹性势能E p ．
(3)通过计算判断最终P 能否从P 1上滑下，并求出P 的最终速度v 2． 【答案】(1)v 1=2m/s (2)E P =0.2J (3)v 2=3m/s 【解析】 【分析】 【详解】
（1）P 1、P 2碰撞过程，由动量守恒定律 01m 2v mv = 解得0
12/2
v v m s =
=，方向水平向右 ； （2）对P 1、P 2、P 系统，由动量守恒定律 102
2(2)mv Mv m M v '+=+ 解得2
03
3/4
v v m s ='=，方向水平向右， 此过程中弹簧的最大弹性势能22
2102
111•2+Mv 2m )0.2222
P E mv M v J =
-='+（； （3）对P 1、P 2、P 系统，由动量守恒定律 103222mv Mv mv Mv +=- 由能量守恒定律得
2222
103211112+Mv 2mv +Mg 2222
mv Mv L ⋅=⋅+μ
解得P 的最终速度23/0v m s =>，即P 能从P 1上滑下，P 的最终速度23/v m s =
6．一个静止的铀核232
92U （原子质量为232.0372u ）放出一个α粒子（原子质量为4.0026u ）后衰变成钍核228
90Th （原子质量为228.0287 u ）．（已知：原子质量单位
271u 1.6710kg -=⨯，1u 相当于931MeV ）
(1)写出核衰变反应方程；
(2)算出该核衰变反应中释放出的核能；
(3)假设反应中释放出的核能全部转化为钍核和α粒子的动能，则钍核获得的动能有多大？ 【答案】(1)232228492
902U Th+He →
(2)5.49MeV (3)0.095MeV
【解析】 【详解】 (1)
232228
492
902U Th+He →
(2)质量亏损U αTh 0.0059u m m m m ∆=--= △E =△mc 2=0.0059×931MeV=5.49MeV
(3)系统动量守恒，钍核和α粒子的动量大小相等，即
Th αp p =
2
Th kTh
Th
2p E m = 2α
k αα
2p E m =
kTh k αE E E +=∆
所以钍核获得的动能kTh αTh α4
0.095MeV 4228
m E E E m m =
⨯∆=⨯∆=++
7．在日常生活中，我们经常看到物体与物体间发生反复的多次碰撞．如图所示，一块表面水平的木板静止放在光滑的水平地面上，它的右端与墙之间的距离L ＝0.08 m ．现有一小物块以初速度v 0＝2 m/s 从左端滑上木板，已知木板和小物块的质量均为1 kg ，小物块与木板之间的动摩擦因数μ＝0.1，木板足够长使得在以后的运动过程中小物块始终不与墙接触，木板与墙碰后木板以原速率反弹，碰撞时间极短可忽略，取重力加速度g ＝10 m/s 2．求：
(1)木板第一次与墙碰撞时的速度大小；
(2)从小物块滑上木板到二者达到共同速度时，木板与墙碰撞的总次数和所用的总时间； (3)小物块和木板达到共同速度时，木板右端与墙之间的距离． 【答案】（1）0.4 s 0.4 m/s （2）1.8 s. （3）0.06 m
【解析】
试题分析：（1）物块滑上木板后，在摩擦力作用下，木板从静止开始做匀加速运动，设木板加速度为a ，经历时间T 后与墙第一次碰撞，碰撞时的速度为1v 则mg ma μ=，解得21/a g m s μ==①
2
12
L at =
②，1v at =③ 联立①②③解得0.4t s =，10.4/v m s =④
（2）在物块与木板两者达到共同速度前，在每两次碰撞之间，木板受到物块对它的摩擦力作用而做加速度恒定的匀减速直线运动，因而木板与墙相碰后将返回至初态，所用时间也为T ．
设在物块与木板两者达到共同速度v 前木板共经历n 次碰撞，则有：
()02v v nT t a a t =-+∆=∆⑤
式中△t 是碰撞n 次后木板从起始位置至达到共同速度时所需要的时间．
由于最终两个物体一起以相同的速度匀速前进，故⑤式可改写为022v v nTa =-⑥ 由于木板的速率只能处于0到1v 之间，故有()01022v nTa v ≤-≤⑦ 求解上式得1.5 2.5n ≤≤ 由于n 是整数，故有n=2⑧
由①⑤⑧得：0.2t s ∆=⑨；0.2/v m s =⑩
从开始到物块与木板两者达到共同速度所用的时间为：4 1.8t T t s =+∆=（11） 即从物块滑上木板到两者达到共同速度时，木板与墙共发生三次碰撞，所用的时间为1．8s ．
（3）物块与木板达到共同速度时，木板与墙之间的距离为21
2
s L a t =-∆（12） 联立①与（12）式，并代入数据得0.06s m = 即达到共同速度时木板右端与墙之间的距离为0．06m ． 考点：考查了牛顿第二定律，运动学公式
【名师点睛】本题中开始小木块受到向后的摩擦力，做匀减速运动，长木板受到向前的摩擦力做匀加速运动；当长木板反弹后，小木块继续匀减速前进，长木板匀减速向左运动，一直回到原来位置才静止；之后长木板再次向右加速运动，小木块还是匀减速运动；长木板运动具有重复性，由于木板长度可保证物块在运动过程中不与墙接触，故直到两者速度相同，一起与墙壁碰撞后反弹；之后长木板向左减速，小木块向右减速，两者速度一起减为零．
8．如图甲所示，用半径相同的A 、B 两球的碰撞可以验证“动量守恒定律”．实验时先让质量为1m 的A 球从斜槽上某一固定位置C 由静止开始滚下，进入水平轨道后，从轨道末端水平抛出，落到位于水平地面的复写纸上，在下面的白纸上留下痕迹．重复上述操作10次，得到10个落点痕迹．再把质量为2m 的B 球放在水平轨道末端，让A 球仍从位置C 由静止
滚下，A 球和B 球碰撞后，分别在白纸上留下各自的落点痕迹，重复操作10次．M 、P 、N 为三个落点的平均位置，未放B 球时，A 球的落点是P 点，O 点是水平轨道末端在记录纸上的竖直投影点，如图乙所示．
（1）在这个实验中，为了尽量减小实验误差，两个小球的质量应满足______（填“>”或“<”）．
（2）除了图中器材外，实验室还备有下列器材，完成本实验还必须使用的两种器材是_____．
A ．秒表
B ．天平
C ．刻度尺
D ．打点计时器 （3）下列说法中正确的是_________．
A ．如果小球每次从同一位置由静止释放，每次的落点一定是重合的
B ．重复操作时发现小球的落点并不重合，说明实验操作中出现了错误
C ．用半径尽量小的圆把10个落点圈起来，这个圆的圆心可视为小球落点的平均位置
D ．仅调节斜槽上固定位置C ，它的位置越低，线段OP 的长度越大
（4）在某次实验中，测量出两个小球的质量1m 、2m ，记录的落点平均位置M 、N 几乎与OP 在同一条直线上，测量出三个落点位置与O 点距离OM 、OP 、ON 的长度．在实验误差允许范围内，若满足关系式__________________，则可以认为两球碰撞前后在OP 方向上的总动量守恒；若碰撞是弹性碰撞，则还需满足的关系式是________________．（用测量的量表示）
（5）某同学在做这个实验时，记录下小球三个落点的平均位置M 、P 、N ，如图丙所示．他发现M 和N 偏离了OP 方向．这位同学猜想两小球碰撞前后在OP 方向上依然动量守恒，他想到了验证这个猜想的办法：连接OP 、OM 、ON ，作出M 、N 在OP 方向上的投影点M '、N '．分别测量出OP 、OM '、ON '的长度．若在实验误差允许的范围内，满足关系式：_____则可以认为两小球碰撞前后在OP 方向上动量守恒．
【答案】> BC C 112m OP m OM m ON =+ 222
112m OP m OM m ON =+
112m OP m OM m ON ''=+
【解析】 【分析】 【详解】
(1)为了防止入射球碰后反弹，应让入射球的质量大于被碰球的质量；
（1）小球离开轨道后做平抛运动，小球在空中的运动时间相同，小球的水平位移与其初速度成正比，可以用小球的水平位移代替小球的初速度，实验需要验证：
101122m v m v m v =+，因小球均做平抛运动，下落时间相同，则可知水平位移x =vt ，因此可
以直接用水平位移代替速度进行验证，故有112m OP m OM m ON ⋅=⋅+⋅ ，实验需要测量小球的质量、小球落地点的位置，测量质量需要天平，测量小球落地点的位置需要毫米刻度尺，因此需要的实验器材有：BC ；
（3）由于各种偶然因素，如所受阻力不同等，小球的落点不可能完全重合，落点应当比较集中，但不是出现了错误，故AB 错误；由于落点比较密集，又较多，每次测量距离很难，故确定落点平均位置的方法是最小圆法，即用尽可能最小的圆把各个落点圈住，这个圆的圆心位置代表落点的平均位置，故C 正确；仅调节斜槽上固定位置C ，它的位置越低，由于水平速度越小，则线段OP 的长度越小，故D 错误．故选C ； （4）若两球相碰前后的动量守恒，则101122m v m v m v =+，又
012,,OP v t OM v t ON v t ===，代入得：112m OP m OM m ON ⋅=⋅+⋅，若碰撞是弹性碰
撞，满足机械能守恒，则：
222101122111222
m v m v m v =+ ，代入得;222
112m OP m OM m ON ⋅=⋅+⋅；
（5）如图所示,连接OP 、OM 、ON ,作出M 、N 在OP 方向上的投影点M ′、N ′，如图所示；
分别测量出OP 、OM ′、ON ′的长度．若在实验误差允许范围内,满足关系式
112m OP m OM m ON ''⋅=⋅+⋅ 则可以认为两小球碰撞前后在OP 方向上动量守恒．
9．如图所示，光滑固定斜面的倾角Θ=30°，一轻质弹簧一端固定，另一端与质量M=3kg 的物体B 相连，初始时B 静止.质量m=1kg 的A 物体在斜面上距B 物体处s1=10cm 静止释放，A 物体下滑过程中与B 发生碰撞，碰撞时间极短，碰撞后与B 粘在一起，已知碰后整体经t=0.2s 下滑s2=5cm 至最低点. 弹簧始终处于弹性限度内，A 、B 可视为质点，g 取10m/s 2．
（1）从碰后到最低点的过程中，求弹簧最大的弹性势能; （2）碰后至返回到碰撞点的过程中，求弹簧对物体B 的冲量大小．
【答案】（1）1．125J ；（2）10Ns
【解析】 【分析】
(1)A 物体下滑过程，A 物体机械能守恒，求得A 与B 碰前的速度；A 与B 碰撞是完全非弹性碰撞，A 、B 组成系统动量守恒，求得碰后AB 的共同速度；从碰后到最低点的过程中，A 、B 和弹簧组成的系统机械能守恒，可求得从碰后到最低点的过程中弹性势能的增加量． (2)从碰后至返回到碰撞点的过程中，A 、B 和弹簧组成的系统机械能守恒，可求得返回碰撞点时AB 的速度；对AB 从碰后至返回到碰撞点的过程应用动量定理，可得此过程中弹簧对物体B 冲量的大小． 【详解】
(1)A 物体下滑过程，A 物体机械能守恒，则：0
2101302
mgS sin mv = 解得：0012302100.10.51m m v gS sin s s
=
=⨯⨯⨯=
A 与
B 碰撞是完全非弹性碰撞，据动量守恒定律得：
01()mv m M v =+
解得：10.25m v s
= 从碰后到最低点的过程中，A 、B 和弹簧组成的系统机械能守恒，则：
20121
()()302
PT E m M v m M gS sin =
+++增 解得： 1.125PT E J =增
(2)从碰后至返回到碰撞点的过程中，A 、B 和弹簧组成的系统机械能守恒，可求得返回碰撞点时AB 的速度大小210.25m v v s == 以沿斜面向上为正，由动量定理可得：
[]021()302()()T I m M gsin t m M v m M v -+⨯=+--+
解得：10T I N s =⋅
10．如图所示，一质量为M 的平板车B 放在光滑水平面上，在其右端放一质量为m 的小木块A ，m ＜M,A 、B 间粗糙，现给A 和B 以大小相等、方向相反的初速度v0,使A 开始向左运动，B 开始向右运动，最后A 不会滑离B ，求：
（1）A 、B 最后的速度大小和方向；
（2）从地面上看，小木块向左运动到离出发点最远处时，平板车的速度大小和方向． 【答案】（1）0M m
v M m
-+（2）
2022M m v Mg μ- 【解析】
试题分析：（1）由A 、B 系统动量守恒定律得： Mv0—mv0=（M +m ）v ① 所以v=v0
方向向右
（2）A 向左运动速度减为零时，到达最远处，设此时速度为v′,则由动量守恒定律得：
Mv0—mv0="Mv′"00
Mv mv v M
-'=
方向向右 考点：动量守恒定律；
点评：本题主要考查了动量守恒定律得直接应用，难度适中．
11．如图所示，水平光滑轨道AB 与以O 点为圆心的竖直半圆形光滑轨道BCD 相切于B 点，半圆形轨道的半径r =0.30m ．在水平轨道上A 点静止放置一质量为m 2=0.12kg 的物块2，现有一个质量m 1=0.06kg 的物块1以一定的速度向物块2运动，并与之发生正碰，碰撞过程中无机械能损失，碰撞后物块2的速度v 2=4.0m/s ．物块均可视为质点，g 取10m/s 2，求：
（1）物块2运动到B 点时对半圆形轨道的压力大小； （2）发生碰撞前物块1的速度大小；
（3）若半圆形轨道的半径大小可调，则在题设条件下，为使物块2能通过半圆形轨道的最高点，其半径大小应满足什么条件． 【答案】 【小题1】7.6N 【小题2】6.0m/s 【小题3】0.32m 【解析】
（1）设轨道B 点对物块2的支持力为N ，根据牛顿第二定律有 N-m 2g=m 2v 22/R 解得 N=7.6N
根据牛顿第三定律可知，物块2对轨道B 点的压力大小N′=7.6N
（2）设物块1碰撞前的速度为v 0，碰撞后的速度为v 1，对于物块1与物块2的碰撞过程，根据动量守恒定律有 m 1v 0=mv 1+m 2v 2 因碰撞过程中无机械能损失，所以有m 1v 02=
m 1v 12+
m 2v 22
代入数据联立解得 v 0=6.0m/s
（3）设物块2能通过半圆形轨道最高点的最大半径为R m，对应的恰能通过最高点时的速度大小为v，根据牛顿第二定律，对物块2恰能通过最高点时有 m2g=m2v2/R m
对物块2由B运动到D的过程，根据机械能守恒定律有
m2v22=m2g•2R m+m2v2
联立可解得：R m=0.32m
所以，为使物块2能通过半圆形轨道的最高点，半圆形轨道半径不得大于0.32m
12．如图所示，粗细均匀的圆木棒A下端离地面高H，上端套着一个细环B．A和B的质量均为m，A和B间的滑动摩擦力为f，且f＜mg．用手控制A和B使它们从静止开始自由下落．当A与地面碰撞后，A以碰撞地面时的速度大小竖直向上运动，与地面发生碰撞时间极短，空气阻力不计，运动过程中A始终呈竖直状态．求：若A再次着地前B不脱离A，A的长度应满足什么条件？
【答案】
【解析】
试题分析：设木棒着地时的速度为，因为木棒与环一起自由下落，则
木棒弹起竖直上升过程中，由牛顿第二定律有：对木棒：
解得：，方向竖直向下
对环：
解得方向竖直向下
可见环在木棒上升及下降的全过程中一直处于加速运动状态，所以木棒从向上弹起到再次着地的过程中木棒与环的加速度均保持不变
木棒在空中运动的时间为
在这段时间内，环运动的位移为
要使环不碰地面，则要求木棒长度不小于x，即
解得：
考点：考查了牛顿第二定律与运动学公式的综合应用
【名师点睛】连接牛顿第二定律与运动学公式的纽带就是加速度，所以在做这一类问题时，特别又是多过程问题时，先弄清楚每个过程中的运动性质，根据牛顿第二定律求加速度然后根据加速度用运动学公式解题或者根据运动学公式求解加速度然后根据加速度利用牛顿第二定律求解力。