高考物理试卷分类汇编物理动量定理(及答案)及解析

高考物理试卷分类汇编物理动量定理(及答案)及解析
一、高考物理精讲专题动量定理
1．如图甲所示，物块A、B的质量分别是m A＝4.0kg和m B＝3.0kg。

用轻弹簧拴接，放在光滑的水平地面上，物块B右侧与竖直墙壁相接触。

另有一物块C从t＝0时以一定速度向右运动，在t＝4s时与物块A相碰，并立即与A粘在一起不再分开，C的v－t图象如图乙所示。

求：
（1）C的质量m C；
（2）t＝8s时弹簧具有的弹性势能E p1，4~12s内墙壁对物块B的冲量大小I；
（3）B离开墙后的运动过程中弹簧具有的最大弹性势能E p2。

【答案】（1）2kg ；（2）27J，36N·S；（3）9J
【解析】
【详解】
（1）由题图乙知，C与A碰前速度为v1＝9m/s，碰后速度大小为v2＝3m/s，C与A碰撞过程动量守恒
m C v1＝(m A＋m C)v2
解得C的质量m C＝2kg。

（2）t＝8s时弹簧具有的弹性势能
E p1＝1
2
(m A＋m C)v22=27J
取水平向左为正方向，根据动量定理，4~12s内墙壁对物块B的冲量大小
I=(m A＋m C)v3-(m A＋m C)（-v2）=36N·S
（3）由题图可知，12s时B离开墙壁，此时A、C的速度大小v3＝3m/s，之后A、B、C及弹簧组成的系统动量和机械能守恒，且当A、C与B的速度相等时，弹簧弹性势能最大
(m A＋m C)v3＝(m A＋m B＋m C)v4
1 2(m A＋m C)2
3
v＝
1
2
(m A＋m B＋m C)2
4
v＋E p2
解得B离开墙后的运动过程中弹簧具有的最大弹性势能E p2＝9J。

2．如图甲所示，物块A、B的质量分别是m A＝4.0kg和m B＝3.0kg．用轻弹簧拴接，放在光滑的水平地面上，物块B右侧与竖直墙壁相接触．另有一物块C从t＝0时以一定速度向右运动，在t＝4s时与物块A相碰，并立即与A粘在一起不分开，C的v－t图象如图乙所示．求：
（1）C的质量m C；
（2）t＝8s时弹簧具有的弹性势能E p1
（3）4—12s 内墙壁对物块B 的冲量大小I
【答案】(1) 2kg (2) 27J (3) 36N s ×
【解析】
【详解】
（1）由题图乙知，C 与A 碰前速度为v 1＝9m/s ，碰后速度大小为v 2＝3m/s ，C 与A 碰撞过程动量守恒
m C v 1＝(m A ＋m C )v 2
解得C 的质量
m C ＝2kg ．
（2）t ＝8s 时弹簧具有的弹性势能
E p1＝12
(m A ＋m C )v 22=27J （3）取水平向左为正方向，根据动量定理，4~12s 内墙壁对物块B 的冲量大小
I=(m A ＋m C )v 3-(m A ＋m C )（-v 2）=36N·s
3．如图所示，一个质量为m 的物体，初速度为v 0，在水平合外力F （恒力）的作用下，经过一段时间t 后，速度变为v t 。

(1)请根据上述情境，利用牛顿第二定律推导动量定理，并写出动量定理表达式中等号两边物理量的物理意义。

(2)快递公司用密封性好、充满气体的塑料袋包裹易碎品，如图所示。

请运用所学物理知识分析说明这样做的道理。

【答案】详情见解析
【解析】
【详解】
(1)根据牛顿第二定律F ma =,加速度定义0i v v a t
-=解得 0=-i Ft mv mv
即动量定理, Ft 表示物体所受合力的冲量，mv t -mv 0表示物体动量的变化
(2)快递物品在运送途中难免出现磕碰现象，根据动量定理
0=-i Ft mv mv
在动量变化相等的情况下，作用时间越长，作用力越小。

充满气体的塑料袋富有弹性，在碰撞时，容易发生形变，延缓作用过程，延长作用时间，减小作用力，从而能更好的保护快递物品。

4．滑冰是青少年喜爱的一项体育运动。

如图，两个穿滑冰鞋的男孩和女孩一起在滑冰场沿直线水平向右滑行，某时刻他们速度均为v 0＝2m/s ，后面的男孩伸手向前推女孩一下，作用时间极短，推完后男孩恰好停下，女孩继续沿原方向向前滑行。

已知男孩、女孩质量均为m ＝50kg ，假设男孩在推女孩过程中消耗的体内能量全部转化为他们的机械能，求男孩推女孩过程中：
(1)女孩受到的冲量大小；
(2)男孩消耗了多少体内能量？
【答案】(1) 100N •s (2) 200J
【解析】
【详解】
(1)男孩和女孩之间的作用力大小相等，作用时间相等，
故女孩受到的冲量等于男孩受到的冲量，
对男孩，由动量定理得：I ＝△P ＝0-mv 0＝-50×2＝-100N•s ，
所以女孩受到的冲量大小为100N•s ；
(2)对女孩，由动量定理得100＝mv 1-mv 0， 故作用后女孩的速度1100502m/s 4m/s 50
v +⨯=
= 根据能量守恒知，男孩消耗的能量为 221011125016504200J 222
E mv mv =-⋅=⨯⨯-⨯=；
5．两根平行的金属导轨，固定在同一水平面上，磁感强度B=0.5T 的匀强磁场与导轨所在平面垂直，导轨的电阻很小，可忽略不计．导轨间的距离l=0.20m ，两根质量均m=0.10kg 的平行金属杆甲、乙可在导轨上无摩擦地滑动，滑动过程中与导轨保持垂直，每根金属杆的电阻为R=0.50Ω．在t=0时刻，两杆都处于静止状态．现有一与导轨平行，大小0.20N 的恒力F 作用于金属杆甲上，使金属杆在导轨上滑动．经过T=5.0s ，金属杆甲的加速度为a=1.37 m/s 2，求此时两金属杆的速度各为多少？
【答案】8.15m/s 1.85m/s
【解析】
设任一时刻两金属杆甲、乙之间的距离为，速度分别为和，经过很短时间，杆甲移动距离，杆乙移动距离，回路面积改变
由法拉第电磁感应定律，回路中的感应电动势：
回路中的电流：
杆甲的运动方程：
由于作用于杆甲和杆乙的安培力总是大小相等、方向相反，所以两杆的动量变化（时为0）等于外力F的冲量：
联立以上各式解得
代入数据得＝8.15m/s ＝1.85m/s
【名师点睛】
两杆同向运动，回路中的总电动势等于它们产生的感应电动势之差，即与它们速度之差有关，对甲杆由牛顿第二定律列式，对两杆分别运用动量定理列式，即可求解．
6．质量为70kg的人不慎从高空支架上跌落，由于弹性安全带的保护，使他悬挂在空中．已知人先自由下落3.2m，安全带伸直到原长，接着拉伸安全带缓冲到最低点，缓冲时间为1s，取g=10m/s2．求缓冲过程人受到安全带的平均拉力的大小．
【答案】1260N
【解析】
【详解】
人下落3.2m时的速度大小为
==
28.0m/s
v gh
在缓冲过程中，取向上为正方向，由动量定理可得
()0()F mg t mv -=--
则缓冲过程人受到安全带的平均拉力的大小
1260N mv F mg t
=+=
7．以初速度v 0=10m/s 水平抛出一个质量为m =2kg 的物体，若在抛出后3s 过程中，它未与地面及其它物体相碰，g 取l0m/s 2。

求：
（1）它在3s 内所受重力的冲量大小；
（2）3s 内物体动量的变化量的大小和方向；
（3）第3秒末的动量大小。

【答案】（1）60N ·s （2）60kg ·m/s ，竖直向下（3）m /s ⋅
【解析】
【详解】
（1）3s 内重力的冲量：
I =Ft =mgt =2×10×3N ·s=60N ·s
（2）3s 内物体动量的变化量，根据动量定理：
△P =mgt =20×3kg ·m/s=60kg ·m/s
方向：竖直向下。

（3）第3s 末的动量：
==P mv 末末m /s =⋅
8．质量为60 kg 的建筑工人，不慎从高空跌下，由于弹性安全带的保护，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 ，（安全带伸长量远小于其原长）不计空气阻力影响，g 取10 m/s 2 。

求：人向下减速过程中，安全带对人的平均作用力的大小及方向。

【答案】100N ，方向：竖直向上
【解析】
【详解】
选取人为研究对象，人下落过程有：v 2=2gh ，
代入数据解得：v =10 m/s ，
缓冲过程由动量定理有：（F -mg ）t =mv ，
解得：60106010N 1100N 1.2
mv F mg t ⨯=+=+⨯=（） 则安全带对人的平均作用力的大小为1100N ，方向竖直向上。

9．一质量为1 kg 的小物块放在水平地面上的A 点，距离A 点8 m 的位置B 处是一面墙，如图所示．物块以v 0＝5 m/s 的初速度从A 点沿AB 方向运动，在与墙壁碰撞前瞬间的速度为3 m/s ，碰后以2 m/s 的速度反向运动直至静止．g 取10 m/s 2．
（1）求物块与地面间的动摩擦因数μ；
（2）若碰撞时间为0.01s，求碰撞过程中墙面对物块平均作用力的大小F；【答案】（1）0.1（2）500N
【解析】
（1）由动能定理，有－μmgs＝1
2
mv2－
1
2
m v02
可得μ＝0.1
（2）由动量定理，规定水平向左为正方向，有FΔt＝mv′－(－mv)
可得F＝500N
10．2018年诺贝尔物理学奖授于了阿瑟·阿什金（Arthur Ashkin）等三位科学家，以表彰他们在激光领域的杰出成就。

阿瑟·阿什金发明了光学镊子（如图），能用激光束“夹起”粒子、原子、分子；还能夹起病毒、细菌及其他活细胞，开启了激光在新领域应用的大门。

①为了简化问题，将激光束看作是粒子流，其中的粒子以相同的动量沿光传播方向运动。

激光照射到物体上，会对物体产生力的作用，光镊效应就是一个实例。

现有一透明介质小球，处于非均匀的激光束中（越靠近光束中心光强越强）。

小球的折射率大于周围介质的折射率。

两束相互平行且强度①＞②的激光束，穿过介质小球射出时的光路如图所示。

若不考虑光的反射和吸收，请分析说明两光束因折射对小球产生的合力的方向。

②根据上问光束对小球产生的合力特点，试分析激光束如何“夹起”粒子的？
【答案】见解析；
【解析】
【详解】
解：①由动量定理可知：△v的方向即为小球对光束作用力的方向
当强度①＞②强度相同时，作用力F1＞F2，由平行四边形定则知，①和②光速受力合力方向向左偏下，则由牛顿第三定律可知，两光束因折射对小球产生的合力的方向向右偏上，
如图所示
②如图所示，小球受到的合力向右偏上，此力的横向的分力F y ，会将小球推向光束中心；一旦小球偏离光速中心，就会受到指向中心的分力，实现光束对小球的约束，如同镊子一样，“夹住”小球其它粒子
11．一个质量为2kg 的物体静止在水平桌面上，如图1所示，现在对物体施加一个水平向右的拉力F ，拉力F 随时间t 变化的图像如图2所示，已知物体在第1s 内保持静止状态，第2s 初开始做匀加速直线运动，第3s 末撤去拉力，第5s 末物体速度减小为0.求：
(1)前3s 内拉力F 的冲量．
(2)第2s 末拉力F 的功率．
【答案】（1）25N s ⋅ （2）50W
【解析】
【详解】
（1）由动量定理有
1122I Ft F t =+
即前3s 内拉力F 的冲量为
25N s I =⋅
（2）设物体在运动过程中所受滑动摩擦力大小为f ，则在2s ～6s 内，由动量定理有
2223()0F t f t t -+=
设在1s ～3s 内物体的加速度大小为a ，则由牛顿第二定律有
2F f ma -=
第2s 末物体的速度为
2v at =
第2s 末拉力F 的功率为
2P F v =
联立以上方程可求出
50W P =
12．某汽车制造商研制开发了发动机额定功率P=30 kW 的一款经济实用型汽车，在某次性能测试中，汽车连同驾乘人员的总质量m=2000kg ，在平直路面上以额定功率由静止启动，行驶过程中受到大小f=600 N 的恒定阻力.
(1)求汽车的最大速度v ；
(2)若达到最大速度v 后，汽车发动机的功率立即改为P′=18 kW ，经过一段时间后汽车开始以不变的速度行驶，求这段时间内汽车所受合力的冲量I.
【答案】（1）50/m s （2）44.010/kg m s -⨯⋅ 方向与初速度的方向相反
【解析】
【详解】
（1）汽车匀速运动时，牵引力等于阻力，有：F=f=600N
根据 P=Fv 代入数据解得：v=50m/s
(2)设功率改为 P′=18kW 时，则有：P v F '=
'=30m/s 根据动量定理得：I=mv′−mv
代入数据得：I=−4.0×104kg·m/s，负号表示方向与初速度的方向相反
【点睛】
（1）汽车匀速运动时，牵引力等于阻力，根据P=Fv 求解速度；
（2）根据P=Fv 求出功率改为P′=18kW 的速度，然后根据动量定理求出合外力的冲量．。