五年真题之2016年高考物理专题动量含答案
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专题6 动量
1.[2016·全国卷Ⅰ35(2)10分]
某游乐园入口旁有一喷泉,喷出的水柱将一质量为M的卡通玩具稳定地悬停在空中.为计算方便起见,假设水柱从横截面积为S的喷口持续以速度v0竖直向上喷出;玩具底部为平板(面积略大于S);水柱冲击到玩具底板后,在竖直方向水的速度变为零,在水平方向朝四周均匀散开.忽略空气阻力.已知水的密度为ρ,重力加速度大小为g.求:
(i)喷泉单位时间内喷出的水的质量;
(ii)玩具在空中悬停时,其底面相对于喷口的高度.
答案:(i)ρv0S(ii)v20
2g -
M2g 2ρ2v20S2
解析: (i)设Δt时间内,从喷口喷出的水的体积为ΔV,质量为Δm,则
Δm=ρΔV①
ΔV=v0SΔt②
由①②式得,单位时间内从喷口喷出的水的质量为
Δm
Δt
=ρv0S③
(ii)设玩具悬停时其底面相对于喷口的高度为h,水从喷口喷出后到达玩具底面时的速度大小为v.对于Δt时间内喷出的水,由能量守恒得
1 2(Δm)v2+(Δm)gh=
1
2
(Δm)v20④
在h高度处,Δt时间内喷射到玩具底面的水沿竖直方向的动量变化量的大小为Δp=(Δm)v⑤
设水对玩具的作用力的大小为F,根据动量定理有
FΔt=Δp⑥
由于玩具在空中悬停,由力的平衡条件得
F=Mg⑦
联立③④⑤⑥⑦式得
h=v20
2g -
M2g
2ρ2v20S2
⑧
2.[2016·北京卷] (1)动量定理可以表示为Δp=FΔt,其中动量p和力F都是矢量.在运用动量定理处理二维问题时,可以在相互垂直的x、y两个方向上分别研究.例如,质量为m的小球斜射到木板上,入射的角度是θ,碰撞后弹出的角度也是θ,碰撞前后的速度大小
都是v,如图1所示.碰撞过程中忽略小球所受重力.
图1
a.分别求出碰撞前后x、y方向小球的动量变化Δp x、Δp y;
b.分析说明小球对木板的作用力的方向.
(2)激光束可以看作是粒子流,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,在发生反射、折射和吸收现象的同时,也会对物体产生作用.光镊效应就是一个实例,激光束可以像镊子一样抓住细胞等微小颗粒.
一束激光经S点后被分成若干细光束,若不考虑光的反射和吸收,其中光束①和②穿过介质小球的光路如图1所示,图中O点是介质小球的球心,入射时光束①和②与SO的夹角均为θ,出射时光束均与SO平行.请在下面两种情况下,分析说明两光束因折射对小球产生的合力的方向.
a.光束①和②强度相同;
b.光束①比②的强度大.
图1
答案: (1)a.0 2mv cos θ
b.沿y轴负方向
(2)a.沿SO向左b.指向左上方
解析: (1)a.x方向:
动量变化为Δp x=mv sin θ-mv sin θ=0
y方向:
动量变化为Δp y=mv cos θ-(-mv cos θ)=2mv cos θ
方向沿y轴正方向.
b.根据动量定理可知,木板对小球作用力的方向沿y轴正方向;根据牛顿第三定律可知,
小球对木板作用力的方向沿y 轴负方向.
(2)a.仅考虑光的折射,设Δt 时间内每束光穿过小球的粒子数为n ,每个粒子动量的大小为p .
这些粒子进入小球前的总动量为p 1=2np cos θ
从小球出射时的总动量为p 2=2np
p 1、p 2的方向均沿SO 向右
根据动量定理F Δt =p 2-p 1=2np (1-cos θ)>0
可知,小球对这些粒子的作用力F 的方向沿SO 向右;根据牛顿第三定律,两光束对小球的合力的方向沿SO 向左.
b .建立如图所示的Oxy 直角坐标系.
x 方向:
根据(2)a 同理可知,两光束对小球的作用力沿x 轴负方向.
y 方向:
设Δt 时间内,光束①穿过小球的粒子数为n 1,光束②穿过小球的粒子数为n 2,n 1>n 2. 这些粒子进入小球前的总动量为p 1y =(n 1-n 2)p sin θ
从小球出射时的总动量为p 2y =0
根据动量定理:F y Δt =p 2y -p 1y =-(n 1-n 2)p sin θ
可知,小球对这些粒子的作用力F y 的方向沿y 轴负方向,根据牛顿第三定律,两光束对小球的作用力沿y 轴正方向.
所以两光束对小球的合力的方向指向左上方.
3.[2016·江苏卷] (2)已知光速为c ,普朗克常数为h ,则频率为ν的光子的动量为________.用该频率的光垂直照射平面镜,光被镜面全部垂直反射回去,则光子在反射前后动量改变量的大小为________.
答案:h νc 2h νc
解析:因为光速c =λν,则λ=c ν,所以光子的动量p =h λ=h νc
,由于动量是矢量,因此若以射向平面镜时光子的动量方向为正方向,即p 1=
h νc ,反射后p 2=-h νc ,动量的变化量
Δp =p 2-p 1=-h νc -h νc =-2h νc ,则光子在反射前后动量改变量的大小为2h νc
. 3.[2016·全国卷Ⅲ] [物理——选修35]
如图1所示,水平地面上有两个静止的小物块a 和b ,其连线与墙垂直;a 和b 相距l ,b
与墙之间也相距l ;a 的质量为m ,b 的质量为34
m .两物块与地面间的动摩擦因数均相同,现使a 以初速度v 0向右滑动,此后a 与b 发生弹性碰撞,但b 没有与墙发生碰撞.重力加速度大小为g .求物块与地面间的动摩擦因数满足的条件.
图1
解析:设物块与地面间的动摩擦因数为μ.若要物块a 、b 能够发生碰撞,应有
12
mv 20>μmgl ① 即μ 02gl ② 设在a 、b 发生弹性碰撞前的瞬间,a 的速度大小为v 1.由能量守恒有 12mv 20=12 mv 21+μmgl ③ 设在a 、b 碰撞后的瞬间,a 、b 的速度大小分别为v ′1、v ′2,由动量守恒和能量守恒有 mv 1=mv ′1+3m 4 v ′2 ④ 12mv 21=12mv ′2 1+12⎝ ⎛⎭ ⎪⎫3m 4v ′22 ⑤ 联立④⑤式解得v ′2=87 v 1 ⑥ 由题意,b 没有与墙发生碰撞,由功能关系可知 12⎝ ⎛⎭⎪⎫3m 4v ′22≤μ3m 4 gl ⑦ 联立③⑥⑦式,可得 μ≥32v 2 0113gl ⑧ 联立②⑧式,a 与b 发生碰撞、但b 没有与墙发生碰撞的条件 32v 20113gl ≤μ ⑨ 4.[2016·全国卷Ⅱ] [物理——选修35] 如图1所示,光滑冰面上静止放置一表面光滑的斜面体,斜面体右侧一蹲在滑板上的小孩