高考物理经典习题:第6章动量守恒定律 第1讲 动量定理及其应用(含解析)
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1、第6章动量守恒定律课程标准内容及要求核心素养及关键能力核心素养关键能力1.理解冲量和动量。物理概念理解能力2.通过理论推导和实验,理解动量定理,能用其解释生产生活中的有关现象。科学推理及模型构建物理建模能力及分析推理能力3.理解动量守恒定律,能用其解释生产生活中的有关现象。知道动量守恒定律的普适性。科学推理及论证分析推理能力4.实验八:通过实验,了解弹性碰撞和非弹性碰撞的特点。设计实验与制订方案、获取和处理信息、基于证据得出结论并作出解释探究分析能力5.定量分析一维碰撞问题并能解释生产生活中的弹性碰撞和非弹性碰撞现象。建立碰撞模型,科学推理模型构建和分析推理能力6.体会用守恒定律分析物理问题的
2、方法,体会自然界的和谐与统一。第1讲 动量定理及其应用一、动量、动量变化、冲量1.动量(1)定义:物体的质量与速度的乘积。(2)表达式:pmv。(3)方向:动量的方向与速度的方向相同。2.动量的变化(1)因为动量是矢量,动量的变化量p也是矢量,其方向与速度的改变量v的方向相同。(2)动量的变化量p,一般用末动量p减去初动量p进行矢量运算,也称为动量的增量,即ppp。3.冲量(1)定义:力与力的作用时间的乘积叫做力的冲量。(2)公式:IFt。(3)单位:Ns。(4)方向:冲量是矢量,其方向与力的方向相同。【自测1】 (多选)(2020安徽六安市省示范高中教学质检)关于下列描述的运动中,在任意相等
3、的时间内物体动量的改变量始终相同的是()A.物体在恒力作用下沿水平方向做匀加速直线运动B.将物体水平抛出(不计空气阻力)C.物体在竖直面内做匀速圆周运动D.人造卫星绕地球的运动答案AB解析根据动量定理Ftp知,若物体在任意相等的时间内动量的改变量始终相同,则物体必受恒力作用。物体在恒力作用下沿水平方向做匀加速直线运动,将物体水平抛出(不计空气阻力),物体受力均恒定不变,选项A、B正确;物体在竖直面内做匀速圆周运动,人造卫星绕地球的运动,物体和卫星受到的力都是变力,选项C、D错误。二、动量定理1.内容:物体在一个过程中所受力的冲量等于它在这个过程始末的动量变化量。2.公式:F(tt)mvmv或I
4、pp。3.动量定理的理解(1)动量定理反映了力的冲量与动量变化量之间的因果关系,即合力的冲量是原因,物体的动量变化量是结果。(2)动量定理中的冲量是合力的冲量,而不是某一个力的冲量,它可以是合力的冲量,可以是各力冲量的矢量和,也可以是外力在不同阶段冲量的矢量和。(3)动量定理表达式是矢量式,等号包含了大小相等、方向相同两方面的含义。【自测2】 (2018全国卷,15)高空坠物极易对行人造成伤害。若一个50 g的鸡蛋从一居民楼的25层坠下,与地面的碰撞时间约为2 ms,则该鸡蛋对地面产生的冲击力约为()A.10 N B.102 NC.103 N D.104 N答案C解析根据自由落体运动规律和动量
5、定理有v22gh(h为25层楼的高度,约70 m)和Ftmv,代入数据解得F1103 N,所以C正确。命题点一对动量和冲量的理解1.对动量的理解(1)动量的两性瞬时性:动量是描述物体运动状态的物理量,是针对某一时刻或位置而言的。相对性:动量的大小与参考系的选取有关,通常是指相对地面的动量。(2)动量与动能的比较动量动能物理意义描述机械运动状态的物理量定义式pmvEkmv2标矢性矢量标量变化因素物体所受合力的冲量外力所做的功大小关系pEk对于给定的物体,若动能发生了变化,动量一定也发生了变化;而动量发生变化,动能不一定发生变化。它们都是相对量,均与参考系的选取有关,高中阶段通常选取地面为参考系2
6、.对冲量的理解 (1)冲量的两性时间性:冲量不仅与力有关,还与力的作用时间有关,恒力的冲量等于该力与该力的作用时间的乘积。矢量性:对于方向恒定的力来说,冲量的方向与力的方向一致;对于作用时间内方向变化的力来说,冲量的方向与相应时间内物体动量改变量的方向一致。(2)作用力和反作用力的冲量:一定等大、反向,但与作用力和反作用力做的功之间并无必然联系。(3)冲量与功的比较冲量功定义作用在物体上的力和力的作用时间的乘积作用在物体上的力和物体在力的方向上的位移的乘积单位N sJ公式IFt(F为恒力)WFlcos (F为恒力)标矢性矢量标量意义表示力对时间的累积是动量变化的量度表示力对空间的累积是能量变化
7、多少的量度都是过程量,都与力的作用过程相联系题型1对动量和冲量的定性分析【例1】 (2020全国卷,14)行驶中的汽车如果发生剧烈碰撞,车内的安全气囊会被弹出并瞬间充满气体。若碰撞后汽车的速度在很短时间内减小为零,关于安全气囊在此过程中的作用,下列说法正确的是()A.增加了司机单位面积的受力大小B.减少了碰撞前后司机动量的变化量C.将司机的动能全部转换成汽车的动能D.延长了司机的受力时间并增大了司机的受力面积答案D解析行驶中的汽车如果发生剧烈碰撞,车内安全气囊被弹出并瞬间充满气体,增大了司机的受力面积,减少了司机单位面积的受力大小,延长了司机的受力时间,A项错误,D项正确;碰撞前司机的动量等于
8、其质量与速度的乘积,碰撞后司机的动量为零,所以安全气囊不能减少碰撞前后司机动量的变化量,B项错误;司机与气囊的碰撞为非弹性碰撞,有能量损失,司机的动能未完全转换成汽车的动能,C项错误。【变式1】 (2020广东广州市天河区三模热身)如图1为跳水运动员从起跳到落水过程的示意图,运动员从最高点到入水前的运动过程记为,运动员入水后到最低点的运动过程记为,忽略空气阻力,则运动员()图1A.过程的动量改变量等于零B.过程的动量改变量等于零C.过程的动量改变量等于重力的冲量D.过程的动量改变量等于重力的冲量答案C解析过程运动员的动量改变量不等于零,过程中运动员只受重力,其动量改变量等于重力的冲量,选项A错
9、误,C正确;过程中动量改变量不等于零,过程中运动员受到重力和水的作用力,其动量改变量等于重力和水的作用力的合力的冲量,选项B、D错误。【变式2】 (2020河南省上学期阶段性考试)静止在光滑水平面上的两物块通过一根细线相连,中间夹着一根压缩了的轻弹簧(与两物块均不拴接),如图2所示,A物块的质量是B物块质量的2倍。现烧断细线,在弹簧弹开两物块的过程中,用IA、IB分别表示弹簧对A、B两物块的冲量大小,则()图2A.IAIB B.IA2IBC.2IAIB D.3IAIB答案A解析烧断细线后在弹簧弹开两个物块的过程中,A、B所受的弹簧弹力大小相等、作用时间t相等,则由IFt知,IAIB,故A正确,
10、B、C、D错误。题型2动量和冲量的定量计算【例2】 (多选)(2020四川凉山州第二次诊断)质量m2 kg 的小物块在某一高度以v05 m/s的速度开始做平抛运动,若g10 m/s2,当运动到竖直位移与水平位移相等时,对于物块()A.此时的瞬时速度大小为5 m/sB.此时重力的瞬时功率大小为200 WC.此过程动量改变大小为10(1) kgm/sD.此过程重力的冲量大小为20 Ns答案BD解析物块做平抛运动,水平方向做匀速直线运动,竖直方向做自由落体运动,当运动到竖直位移与水平位移相等时,有gt2v0t,解得t1 s,竖直方向的速度为vygt10 m/s,则此时的速度为v5 m/s,故A错误;
11、此时的重力瞬时功率为Pmgvy200 W,故B正确;根据动量定理IPmgt20 kgm/s,故C错误;此过程重力的冲量大小为Imgt20 Ns,故D正确。【变式3】 (多选)如图3所示,一个物体在与水平方向成角的拉力F的作用下匀速前进了时间t,则()图3A.拉力对物体的冲量大小为FtB.拉力对物体的冲量大小为Ftsin C.摩擦力对物体的冲量大小为Ftsin D.合力对物体的冲量大小为零答案AD解析拉力F对物体的冲量大小为Ft,故A项正确,B项错误;物体受到的摩擦力大小FfFcos ,所以摩擦力对物体的冲量大小为FftFtcos ,故C项错误;物体匀速运动,合力为零,所以合力对物体的冲量大小为
12、零,故D项正确。命题点二动量定理的基本应用1.对动量定理的理解(1)中学物理中,动量定理研究的对象通常是单个物体。(2)Ftpp是矢量式,两边不仅大小相等,而且方向相同。式中Ft是物体所受的合力的冲量。(3)Ftpp除表明两边大小、方向的关系外,还说明了两边的因果关系,即合力的冲量是动量变化的原因。(4)由Ftpp,得F,即物体所受的合力等于物体的动量对时间的变化率。2.解题基本思路(1)确定研究对象。在中学阶段用动量定理讨论的问题,其研究对象一般仅限于单个物体。(2)对物体进行受力分析。可先求每个力的冲量,再求各力冲量的矢量和合力的冲量;或先求合力,再求其冲量。(3)抓住过程的初、末状态,选
13、好正方向,确定各动量和冲量的正负号。(4)根据动量定理列方程,如有必要还需要补充其他方程,最后代入数据求解。【例3】 (2020陕西第二次质检)核桃是“四大坚果”之一,核桃仁具有丰富的营养价值,但核桃壳十分坚硬,不借助专用工具不易剥开。小悠同学发现了一个开核窍门,把核桃竖直上抛落回与坚硬地面撞击后就能开裂。抛出点距离地面的高度为H,上抛后达到的最高点与抛出点的距离为h。已知重力加速度为g,空气阻力不计。(1)求核桃落回地面的速度大小v;(2)已知核桃质量为m,与地面撞击作用时间为t,撞击后竖直反弹h1高度,求核桃与地面之间的平均作用力F。答案(1)(2)mg,方向竖直向上解析(1)核桃竖直上抛
14、到最高点后做自由落体运动,则有v22g(Hh)则落回地面的速度大小v。(2)设核桃反弹速度大小为v1,则有v2gh1以竖直向上为正方向,核桃与地面作用的过程,由动量定理得(Fmg)tmv1m(v)解得Fmg方向竖直向上。【变式4】 (20211月广东学业水平选择考适应性测试,5)如图4所示,学生练习用头颠球。某一次足球由静止自由下落80 cm,被重新顶起,离开头部后竖直上升的最大高度仍为80 cm。已知足球与头部的作用时间为0.1 s,足球的质量为0.4 kg,重力加速度g取10 m/s2,不计空气阻力,下列说法正确的是()图4A.头部对足球的平均作用力为足球重力的10倍B.足球下落到与头部刚
15、接触时动量大小为3.2 kg m/sC.足球与头部作用过程中动量变化量大小为3.2 kg m/sD.足球从最高点下落至重新回到最高点的过程中重力的冲量大小为3.2 Ns答案C解析足球自由落体80 cm时的速度为v1,所用时间为t1,有v14 m/s,t10.4 s,反弹后做竖直上抛运动,而上升的最大高度也为80 cm,根据运动的对称性可知上抛的初速度v2v14 m/s,上升的时间t2t10.4 s,对足球与人接触的过程,t0.1 s,取向上为正,由动量定理有(mg)tmv2(mv1)p,解得36 N,p3.2 kgm/s,即头部对足球的平均作用力为36 N,而足球的重力为4 N,则头部对足球的
16、平均作用力是重力的9倍,此过程的动量变化量大小为p3.2 kgm/s,故A错误,C正确;足球下落刚与头接触时的动量为p1mv11.6 kgm/s,故B错误;足球运动的全过程,所受重力的冲量为IGmg(t1tt2)3.6 Ns,故D错误。命题点三动量定理与图像的结合【例4】 (2020湖北十堰市上学期期末)一质量为0.5 kg的物块静止在水平地面上,物块与水平地面间的动摩擦因数为0.2。现给物块一水平方向的外力F,F随时间t变化的图线如图5所示,若最大静摩擦力等于滑动摩擦力,取重力加速度g10 m/s2,则()图5A.t1 s时物块的动量大小为2 kgm/sB.t1.5 s时物块的动量大小为2
17、kgm/sC.t(62)s时物块的速度大小为0.5 m/sD.在34 s的时间内,物块受到的摩擦力逐渐减小答案D解析根据动量定理可得(Fmg)tmvmv,t1 s时物块的动量大小为p1Ft1mgt1(210.20.5101)kgm/s1 kgm/s,选项A错误; t1.5 s时物块的动量大小为p1.5Ft1.5mgt1.5(2110.50.20.5101.5) kgm/s1 kgm/s,选项B错误; 设t时刻物块的速度为零,由图像知在24 s内力与时间的关系为F(0.5t2)N,根据Ft图像与t轴所围的面积表示冲量大小可得IF2111(t2),由动量定理得IFmgt0,联立解得t(62) s,
18、故C错误;因为t(62) s在23 s内,所以在34 s的时间内,物块静止,随着F的减小,物块受到的摩擦力逐渐减小,故D正确。【变式5】 (2020吉林“五地六校”合作体联考)一物体在合力F的作用下从静止开始做直线运动,合力方向不变,大小随时间的变化如图6所示,在t0和2t0时刻,物体的动能分别为Ek1、Ek2,动量分别为p1、p2,则()图6A.Ek28Ek1,p24p1 B.Ek23Ek1,p23p1C.Ek29Ek1,p23p1 D.Ek23Ek1,p22p1答案C解析根据动量定理得0t0内:F0t0mv1t02t0内:2F0t0mv2mv1由解得v1v213由pmv得p23p1由Ekm
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