高中物理易错题点睛系列专题5 动量、动能、机械能守恒

2010备考一线名师易错题点睛系列之《专题5·动量、动能、机械能守恒》【1】质量为M的汽车带着质量为m的拖车在平直公路上以加速度a匀加速前进，当速度为v0时拖车突然与汽车脱钩，到拖车停下瞬间司机才发现。若汽车的牵引力一直未变，车与路面的动摩擦因数为μ，那么拖车刚停下时，汽车的瞬时速度是多大？【2】设质量为m的子弹以初速度v0射向静止在光滑水平面上的质量为M的木块，并留在木块中不再射出，子弹钻入木块深度为d。求木块对子弹的平均阻力的大小和该过程中木块前进的距离。[来源:学科网]【解析】子弹和木块最后共同运动，相当于完全非弹性碰撞。从动量的角度看，子弹射入木块过程中系统动量守恒：vmMmv0从能量的角度看，该过程系统损失的动能全部转化为系统的内能。设平均阻力大小为f，设子弹、木块的位移大小分别为s1、s2，如图所示，显然有s1-s2=d对子弹用动能定理：22012121mvmvsf……①对木块用动能定理：2221Mvsf……②s2ds1v0v①、②相减得：2022022121vmMMmvmMmvdf……③【易错点点睛】这个式子的物理意义是：fd恰好等于系统动能的损失；根据能量守恒定律，系统动能的损失应该等于系统内能的增加；可见Qdf，即两物体由于相对运动而摩擦产生的热（机械能转化为内能），等于摩擦力大小与两物体相对滑动的路程的乘积（由于摩擦力是耗散力，摩擦生热跟路径有关，所以这里应该用路程，而不是用位移）。由上式不难求得平均阻力的大小：dmMMmvf220至于木块前进的距离s2，可以由以上②、③相比得出：dmMms2从牛顿运动定律和运动学公式出发，也可以得出同样的结论。由于子弹和木块都在恒力作用下做匀变速运动，位移与平均速度成正比：dmMmsmmMvvsdvvvvvvsds2020022,,2/2/一般情况下mM，所以s2d。这说明，在子弹射入木块过程中，木块的位移很小，可以忽略不计。这就为分阶段处理问题提供了依据。象这种运动物体与静止物体相互作用，动量守恒，最后共同运动的类型，全过程动能的损失量可用公式：202vmMMmEk…④当子弹速度很大时，可能射穿木块，这时末状态子弹和木块的速度大小不再相等，但穿透过程中系统动量仍然守恒，系统动能损失仍然是ΔEK=fd（这里的d为木块的厚度），但由于末状态子弹和木块速度不相等，所以不能再用④式计算ΔEK的大小。做这类题目时一定要画好示意图，把各种数量关系和速度符号标在图上，以免列方程时带错数据。【3】质量为m的人站在质量为M，长为L的静止小船的右端，小船的左端靠在岸边。当他向左走到船的左端时，船左端离岸多远？【解析】先画出示意图。人、船系统动量守恒，总动量始终为零，所以人、船动量大小始终相等。从图中可以看出，人、船的位移大小之和等于L。设人、船位移大小分别为l1、l2，则：mv1=Mv2，两边同乘时间t，ml1=Ml2，而l1+l2=L，∴LmMml2【易错点点睛】应该注意到：此结论与人在船上行走的速度大小无关。不论是匀速行走还是变速行走，甚至往返行走，只要人最终到达船的左端，那么结论都是相同的。做这类题目，首先要画好示意图，要特别注意两个物体相对于地面的移动方向和两个物体位移大小之间的关系。以上所列举的人、船模型的前提是系统初动量为零。如果发生相互作用前系统就具有一定的动量，那就不能再用m1v1=m2v2这种形式列方程，而要利用(m1+m2)v0=m1v1+m2v2列式。【4】如图所示，AB为一光滑水平横杆，杆上套一质量为M的小圆环，环上系一长为L质量不计的细绳，绳的另一端拴一质量为m的小球，现将绳拉直，且与AB平行，由静止释放小球，则当线绳与AB成θ角时，圆环移动的距离是多少？【解析】虽然小球、细绳及圆环在运动过程中合外力不为零（杆的支持力与两圆环及小球的重力之和不相等）系统动量不守恒，但是系统在水平方向不受外力，因而水平动量守恒。设细绳与AB成θ角时小球的水平速度为v，圆环的水平速度为V，则由水平动量守恒有：MV=mv且在任意时刻或位置V与v均满足这一关系，加之时间相同，公式中的V和v可分别用其水平位移替代，则上式可写为：Md=m［（L-Lcosθ）-d］解得圆环移动的距离：d=mL（1-cosθ）/（M+m）【易错点点睛】以动量守恒定律等知识为依托，考查动量守恒条件的理解与灵活运用能力。学生常出现的错误：（1）对动量守恒条件理解不深刻，对系统水平方向动量守恒感到怀疑，无法列出守恒方程.（2）找不出圆环与小球位移之和（L-Lcosθ）。【5】如图所示，均匀铁链长为L，平放在距离地面高为L2的光滑水平面上，其长度的51悬垂于桌面下，从静止开始释放铁链，求铁链下端刚要着地时的速度？【6】如图所示，水平光滑地面上停放着一辆小车，左侧靠在竖直墙壁上，小车的四分之一圆弧轨道AB是光滑的，在最低点B与水平轨道BC相切，BC的长度是圆弧半径的10倍，整个轨道处于同一竖直平面内。可视为质点的物体从A点正上方某处无初速下落，恰好落入小车圆弧轨道滑动，然后沿水平轨道滑行至轨道末端C处恰好没有滑出。已知物块到达圆弧轨道最低点B时对轨道的压力是物块重力的9倍，小车的质量是物块的3倍，不考虑空气阻力和物块落入圆弧轨道时的能量损失。求：（1）物块开始下落的位置距水平轨道BC的竖直高度是圆弧半径的几倍。（2）物块与水平轨道BC间的动摩擦因数μ【答案】(1)4倍(2)μ＝0.3【解析】(1)设物块的质量为m，其开始下落的位置距BC的竖直高度为h，到达B点时的速度为v，小车圆弧轨道的半径为R。由机械能守恒定律，有221mvmgh由牛顿第三定律，可知B点对物体的支持力为9mg根据牛顿第二定律有Rvmmgng29解得h=4R即物块开始下落的位置距BC的竖直高度是圆弧轨道半径的4倍。(2)设物块与BC间的滑动摩擦力的大小为F，物块滑到C点时与小车的共同速度为'v，物块在小车上由B运动到C的过程中小车对地面的位移大小为s。依题意，小车的质量3m，BC长度为10R。滑动摩擦力mgF由动量守恒定律，有')3(vmmmv对物块、小车应用动能定理，有22'2121)10(mvmvsRF2')3(21vmFs解得μ＝0.3【易错点点睛】本题考查了牛顿第二定律、第三定律、机械能守恒定律、动量守恒定律、动能定理的的相关应用，注重物理规律的综合，属于中等难度题。不能正确地分析出物体在小车上运动时小车的运动情况，何时物体小车系统动量守恒。【7】如图所示，一轻绳吊着粗细均匀的棒，棒的下端离地面高H，上端套有一个细环。棒和环的质量均为m，相互间的最大静摩擦力等于滑动摩擦力kmg(k1)。断开细绳，棒和环自由下落。假设棒足够长，与地面发生碰撞时，触地时间极短，无动能损失，棒在整个运动过程中始终保持竖直，空气阻力不计，求：（1）棒第一次与地面碰撞弹起上升过程中，环的加速度。[来源:Z_xx_k.Com]（2）从断开轻绳到棒与地面第二次碰撞的瞬间，棒运动的路程s。（3）从断开轻绳到棒和环都静止，摩擦力对环及棒做的总功W。【答案】(1)gk)1((2)kmgl【解析】(1)设棒第一次上升过程中，环的加速度为环a，环受合力mgkmg环F由牛顿第二定律环环maF求得gka)1(环(2)设以地面为零势能面，向上为正方向，棒第一次落地的速度大小为v1由机械能守恒mgHmv222121解得gHv21设棒弹起后的加速度为棒a由牛顿第二定律gka)1(＝－棒棒第一次弹起的最大高度棒＝avH2211解得11kHH＝棒的运动路程HKKHHs1321【8】右图是简化后跳台滑雪的雪道示意图。整个雪道由倾斜的助滑雪道AB和着陆道DE，以及水平的起跳平台CD组成，AB与CD圆滑连接。运动员从助滑雪道AB上由静止开始，在重力作用下，滑到D点水平飞出，不计飞行中的空气阻力，经2s在水平方向飞行了60m，落在着陆雪道DE上，已知从B点到D点运动员的速度大小不变。（g取10m/s2）求：（1）运动员在AB段下滑到B点的速度大小；（2）若不计阻力，运动员在AB段下滑过程中下降的高度。[来源:学科网ZXXK]（3）若运动员的质量为60kg，在AB段下降的实际高度是50m，此过程中他克服阻力所做的功。依题意，下滑到助滑雪道末端B点的速度大小是30m/s(2)在下滑过程中机械能守恒，有mgh=221mv下降的高度h=mgv4522(3)根据能量关系，有mgh-Wt=221mv运动员克服阻力做功Wt=mgH－221mv=3000J【易错点点睛】本题涉及平抛运动、机械能守恒定律和能量关系知识，主要考查分析综合能力。求解本题不能正确分析物理过程，并找出物理过程所对应的规律。【9】如图所示，坡道顶端距水平面高度为h，质量为m1的小物块A从坡道顶端由静止滑下，进入水平面上的滑道时无机械能损失，为使A制动，将轻弹簧的一端固定在水平滑道延长线M处的墙上，另一端与质量为m2的档板相连，弹簧处于原长时，B恰好位于滑道的末端O点。A与B碰撞时间极短，碰撞后结合在一起共同压缩弹簧。已知在OM段A、B与水平面间的动摩擦因数为μ，其余各处的摩擦不计，重力加速度为g，求（1）物块A在档板B碰撞瞬间的速度v的大小；（2）弹簧最大压缩时为d时的弹性势能EP（设弹簧处于原长时弹性势能为零）。（2）A、B在碰撞过程中内力远大于外力，由动量守恒，有/112()mvmmvA、B克服摩擦力所做的功W＝12()mmgd由能量守恒定律，有/212121()()2PmmvEmmgd解得:211212()PmEghmmgdmm【易错点点睛】本题涉及了机械能守恒、动能、弹性势能用能量守恒等知识点，考查了考生理解、分析、推理的能力。不能正确理解并能灵活用机械能守恒定律及能量守恒定律，不能正确理解动量守恒的适用条件。【10】质量为m的小球，从沙坑上方自由下落，经过时间t1到达沙坑表面，又经过时间t2停在沙坑里。求：⑴沙对小球的平均阻力F；⑵小球在沙坑里下落过程所受的总冲量I。【解析】设刚开始下落的位置为A，刚好接触沙的位置为B，在沙中到达的最低点为C。⑴在下落的全过程对小球用动量定理：重力作用时间为t1+t2，而阻力作用时间仅为t2，以竖直向下为正方向，有：mg(t1+t2)-Ft2=0，解得：221tttmgF⑵仍然在下落的全过程对小球用动量定理：在t1时间内只有重力的冲量，在t2时间内只有总冲量（已包括重力冲量在内），以竖直向下为正方向，有：mgt1-I=0，∴I=mgt1【易错点点睛】这种题本身并不难，也不复杂，但一定要认真审题。要根据题意所要求的冲量将各个外力灵活组合。若本题目给出小球自由下落的高度，可先把高度转换成时间后再用动量定理。当t1t2时，Fmg。【11】目前，滑板运动受到青少年的追捧。如图是某滑板运动员在一次表演时的一部分赛道在竖直平面内的示意图．赛道光滑，FGI为圆弧赛道，半径R=6.5m，C为最低点并与水平赛道BC位于同一水平面，KA、DE平台的高度都为h=1.8m。B、C、F处平滑连接。滑板a和b的质量均为m，m=5kg，运动员质量为M，M=45kg。表演开始，运动员站在滑板b上．先让滑板a从A点静止下滑，t1=0.1s后再与b板一起从A点静止下滑。滑上BC赛道后，运动员从b板跳到同方向运动的a板上，在空中运动的时间t2=0.6s(水平方向是匀速运动)。运动员与a板一起沿CD赛道上滑后冲出赛道，落在EF赛道的P点，沿赛道滑行，经过G点时，运动员受到的支持力N=742.5N。(滑板和运动员ABC的所有运动都在同一竖直平面内，计算时滑板和运动员都看作质点，取g=10m/s2)(1)滑到G点时，运动员的速度是多大?(2)运动员跳上滑板a后，在BC赛道上与滑板a共同运动的速度是多大?(3)从表演开始到运动员滑至I的过程中，系统的机械能改变了多少？为s，则s=v2t2⑧设起跳时滑板a与滑板b的水平距离为s0，