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1、动量与能量应用的几个模型第1页，本讲稿共40页一、关于一、关于“子弹打木块子弹打木块”问题特征与规律问题特征与规律 动力学规律：动力学规律：运动学规律：运动学规律：动量规律：动量规律：由两个物体组成的系统，所受合外力为零而由两个物体组成的系统，所受合外力为零而相互作用力为一对恒力相互作用力为一对恒力典型情景典型情景规律种种规律种种模型特征：模型特征：两物体的加速度大小与质量成反比两物体的加速度大小与质量成反比系统的总动量定恒系统的总动量定恒 两个作匀变速运动物体的追及问题、相对两个作匀变速运动物体的追及问题、相对运动问题运动问题第2页，本讲稿共40页力对力对“子弹子弹”做的功等于做的功等于“子
2、弹子弹”动能的变化量：动能的变化量：能量规律：能量规律：力对力对“木块木块”做的功等于做的功等于“木块木块”动能变化量：动能变化量：一对力的功等于系统动能变化量：一对力的功等于系统动能变化量：因因为为滑滑动动摩摩擦擦力力对对系系统统做做的的总总功功小小于于零零使使系系统统的的机机械械能能（动动能能）减减少少，内内能能增增加加，增增加加的的内内能能Q=fs，s为为两两物物体体相相对滑行的路程对滑行的路程第3页，本讲稿共40页vm0mvm/M+mtv0dt0vm0vmtvMtdtv0t0(mvmo-MvM0)/M+mvm0vM0vtt00svvm00tsmmvm/M+m“子子弹弹”穿出穿出“木木块
3、块”“子子弹弹”未穿出未穿出“木木块块”“子子弹弹”迎迎击击“木木块块”未穿出未穿出“子子弹弹”与与“木木块块”间间恒作恒作用一用一对对力力图图象描述象描述练习第4页，本讲稿共40页例题：质量为例题：质量为M、长为、长为l的木块静止在光滑水平面的木块静止在光滑水平面上，现有一质量为上，现有一质量为m的子弹以水平初速的子弹以水平初速v0射入射入木块，穿出时子弹速度为木块，穿出时子弹速度为v，求子弹与木块作用，求子弹与木块作用过程中系统损失的机械能。过程中系统损失的机械能。l v0 v SLv0v类似实例类似实例1.如图如图1所示，一个长为所示，一个长为L、质量为、质量为M的长方形木块，静止在光滑
4、水平面的长方形木块，静止在光滑水平面上，一个质量为上，一个质量为m的物块（可视为质点），以水平初速度的物块（可视为质点），以水平初速度v0从木块的左从木块的左端滑向右端，设物块与木块间的动摩擦因数为端滑向右端，设物块与木块间的动摩擦因数为，当物块与木块达到，当物块与木块达到相对静止时，物块仍在长木块上，求系统机械能转化成内能的量相对静止时，物块仍在长木块上，求系统机械能转化成内能的量Q。第5页，本讲稿共40页2.如图如图4所示，电容器固定在一个绝缘座上，绝缘座放在光滑水平面上，平行板所示，电容器固定在一个绝缘座上，绝缘座放在光滑水平面上，平行板电容器板间的距离为电容器板间的距离为d，右极板上有
5、一小孔，通过孔有一左端固定在电容器左极，右极板上有一小孔，通过孔有一左端固定在电容器左极板上的水平绝缘光滑细杆，电容器极板以及底座、绝缘杆总质量为板上的水平绝缘光滑细杆，电容器极板以及底座、绝缘杆总质量为M，给电容器，给电容器充电后，有一质量为充电后，有一质量为m的带正电小环恰套在杆上以某一初速度的带正电小环恰套在杆上以某一初速度v0对准小孔向左对准小孔向左运动，并从小孔进入电容器，设带电环不影响电容器板间电场分布。带电环进运动，并从小孔进入电容器，设带电环不影响电容器板间电场分布。带电环进入电容器后距左板的最小距离为入电容器后距左板的最小距离为0.5d，试求：，试求：（1）带电环与左极板相距
6、最近时的速度）带电环与左极板相距最近时的速度v；（2）此过程中电容器移动的距离）此过程中电容器移动的距离s。（3）此过程中能量如何变化？）此过程中能量如何变化？第6页，本讲稿共40页练练习习1 1、如如图图，长长木木板板ab b的的b b端端固固定定一一档档板板，木木板板连连同同档档板板的的质质量量为为M=4.0kgM=4.0kg，a、b b间间距距离离s=2.0ms=2.0m。木木板板位位于于光光滑滑水水平平面面上上。在在木木板板a端端有有一一小小物物块块，其其质质量量m=1.0kgm=1.0kg，小小物物块块与与木木板板间间的的动动摩摩擦擦因因数数=0.10=0.10，它它们们都都处处于于
7、静静止止状状态态。现现令令小小物物块块以以初初速速v v0 0 =4.0m/s=4.0m/s沿沿木木板板向向前前滑滑动动，直直到到和和档档板板相相撞撞。碰碰撞撞后后，小小物物块块恰恰好好回回到到a端端而而不不脱脱离离木木板板。求求碰碰撞撞过过程程中损失的机械能。中损失的机械能。S=2mabMmv0 第7页，本讲稿共40页设木板和物块最后共同的速度为设木板和物块最后共同的速度为v v，由动量守恒，由动量守恒mv0=(m+M)v 设全过程损失的机械能为设全过程损失的机械能为EE，木块在木板上相对滑动过程损失的机械能为木块在木板上相对滑动过程损失的机械能为 W=fs=2mgs 注意：注意：ss为相对
8、滑动过程的为相对滑动过程的总路程总路程碰撞过程中损失的机械能为碰撞过程中损失的机械能为析与解析与解第8页，本讲稿共40页 练习练习2.如图所示，如图所示，A、B是静止在水平地面上完全相同的两是静止在水平地面上完全相同的两块长木板。块长木板。A的左端和的左端和B的右端相接触。两板的质量皆为的右端相接触。两板的质量皆为M=2.0kg，长度皆为，长度皆为l=1.0m,C 是一质量为是一质量为m=1.0kg的木块的木块现给它一初速度现给它一初速度v0=2.0m/s，使它从，使它从B板的左端开始向右动板的左端开始向右动已知地面是光滑的，而已知地面是光滑的，而C与与A、B之间的动摩擦因数皆为之间的动摩擦因
9、数皆为=0.10求最后求最后A、B、C各以多大的速度做匀速运动取重各以多大的速度做匀速运动取重力加速度力加速度g=10m/s2.ABCM=2.0kgM=2.0kgv0=2.0m/sm=1.0kg第9页，本讲稿共40页解解：先先假假设设小小物物块块C 在在木木板板B上上移移动动距距离离 x 后后，停停在在B上上这这时时A、B、C 三者的速度相等，设为三者的速度相等，设为VABCVABCv0Sx由动量守恒得由动量守恒得 在此过程中，木板在此过程中，木板B 的位移为的位移为S，小木块，小木块C 的位移为的位移为S+x由功能关系得由功能关系得相加得相加得解解、两式得两式得代入数值得代入数值得 题目题目
10、 上页上页 下页下页第10页，本讲稿共40页 x 比比B 板板的的长长度度l 大大这这说说明明小小物物块块C不不会会停停在在B板板上上，而而要要滑滑到到A 板板上上设设C 刚刚滑滑到到A 板板上上的的速速度度为为v1，此此时时A、B板板的的速速度度为为V1，如图示：，如图示：ABCv1V1则由动量守恒得则由动量守恒得由功能关系得由功能关系得以题给数据代入解得以题给数据代入解得由于由于v1 必是正数，故合理的解是必是正数，故合理的解是题目题目 上页上页 下页下页第11页，本讲稿共40页 当当滑滑到到A之之后后，B 即即以以V1=0.155m/s 做做匀匀速速运运动动而而C 是是以以 v1=1.3
11、8m/s 的的初初速速在在A上上向向右右运运动动设设在在A上上移移动动了了y 距距离离后后停停止止在在A上上，此时此时C 和和A 的速度为的速度为V2，如图示：，如图示：ABCV2V1y由动量守恒得由动量守恒得 解得解得 V2=0.563 m/s 由功能关系得由功能关系得解得解得 y=0.50 my 比比A 板的长度小，故小物块板的长度小，故小物块C 确实是停在确实是停在A 板上最后板上最后A、B、C 的速度分别为的速度分别为:题目题目 上页上页第12页，本讲稿共40页1 1、如图所示，金属杆、如图所示，金属杆a a从离地从离地h h高处由静止开始沿光滑平行的弧形轨高处由静止开始沿光滑平行的弧
12、形轨道下滑，轨道的水平部分有竖直向上的匀强磁场道下滑，轨道的水平部分有竖直向上的匀强磁场B B，水平轨道上原来，水平轨道上原来放有一金属杆放有一金属杆b b，已知，已知a a杆的质量为杆的质量为mma a,且与杆且与杆b b的质量之比为的质量之比为mma ammb b=34=34，水平轨道足够长，不计摩擦，求：，水平轨道足够长，不计摩擦，求：(1)a(1)a和和b b的最终速度分别是多大的最终速度分别是多大?(2)(2)整个过程中回路释放的电能是多少整个过程中回路释放的电能是多少?(3)(3)若已知若已知a a、b b杆的电阻之比杆的电阻之比RaRb=34RaRb=34，其余部分的电阻不，其余
13、部分的电阻不计，整个过程中杆计，整个过程中杆a a、b b上产生的热量分别是多少上产生的热量分别是多少?例与练例与练第13页，本讲稿共40页(1)a(1)a下滑过程中机械能守恒下滑过程中机械能守恒 析与解析与解m ma agh=mgh=ma av v0 02 2/2 /2 a a进入磁场后，回路中产生感应电流，进入磁场后，回路中产生感应电流，a a、b b都受都受安培力作用，安培力作用，a a做减速运动，做减速运动，b b做加速运动，经做加速运动，经过一段时间，过一段时间，a a、b b速度达到相同，之后回路的速度达到相同，之后回路的磁通量不发生变化，感应电流为磁通量不发生变化，感应电流为0
14、0，安培力为，安培力为0 0，二者匀速运动，二者匀速运动.匀速运动的速度即为匀速运动的速度即为a.ba.b的最的最终速度，设为终速度，设为v.v.由于所组成的系统所受合外力由于所组成的系统所受合外力为为0 0，故系统的动量守恒，故系统的动量守恒 mma av v0 0=(m=(ma a+m+mb b)v)vv va a=v=vb b=v=v=第14页，本讲稿共40页(3)(3)由能的守恒与转化定律，回路中产生的热量应等于回由能的守恒与转化定律，回路中产生的热量应等于回路中释放的电能等于系统损失的机械能，即路中释放的电能等于系统损失的机械能，即Qa+Qb=E.Qa+Qb=E.在在回路中产生电能的
15、过程中，电流不恒定，但由于回路中产生电能的过程中，电流不恒定，但由于RaRa与与RbRb串联，通过的电流总是相等的，所以应有串联，通过的电流总是相等的，所以应有析与解析与解(2)(2)由能量守恒得知，回路中产生的电能应等由能量守恒得知，回路中产生的电能应等于于a a、b b系统机械能的损失，所以系统机械能的损失，所以 E=m E=ma agh-(mgh-(ma a+m+mb b)v)v2 2/2=4m/2=4ma agh/7gh/7第15页，本讲稿共40页 2 2、将带电量、将带电量Q=0.3 CQ=0.3 C，质量，质量m=0.15 kgm=0.15 kg的滑块，放在小车的绝缘的滑块，放在小
16、车的绝缘板的右端，小车的质量板的右端，小车的质量M=0.5 kgM=0.5 kg，滑块与绝缘板间的动摩擦因数，滑块与绝缘板间的动摩擦因数=0.4=0.4，小车的绝缘板足够长，它们所在的空间存在着磁感应强度，小车的绝缘板足够长，它们所在的空间存在着磁感应强度B=20 TB=20 T的水平方向的匀强磁场，开始时小车静止在光滑水平面上，的水平方向的匀强磁场，开始时小车静止在光滑水平面上，当一个摆长为当一个摆长为L=1.25 mL=1.25 m，摆球质量，摆球质量m=0.4 kgm=0.4 kg的单摆从水平位置由静的单摆从水平位置由静止释放，摆到最低点时与小车相撞，如图所示，碰撞后摆球恰好静止，止释放
17、，摆到最低点时与小车相撞，如图所示，碰撞后摆球恰好静止，g g取取10 m/s10 m/s2 2.求：求：（1 1）摆球与小车碰撞过程中系统损失的机械能）摆球与小车碰撞过程中系统损失的机械能E E是多少？是多少？（2 2）碰撞后小车的最终速度是多少？）碰撞后小车的最终速度是多少？例与练例与练第16页，本讲稿共40页第17页，本讲稿共40页碰碰撞撞的的分分类类 完全弹性碰撞完全弹性碰撞 动量守恒，动能不损失动量守恒，动能不损失 （质量相同，交换速度）（质量相同，交换速度）完全非弹性碰撞完全非弹性碰撞 动量守恒，动能损失动量守恒，动能损失 最大。最大。（以共同速度运动）（以共同速度运动）非完全弹性
18、碰撞非完全弹性碰撞 动量守恒，动能有损失。动量守恒，动能有损失。碰碰 撞后的速度介于上面两种撞后的速度介于上面两种 碰撞的速度之间碰撞的速度之间.二、碰撞模型碰撞模型 第18页，本讲稿共40页1.弹性碰撞模型弹性碰撞模型 弹性碰撞是碰撞过程无机械能损失的碰撞，遵循的规律是动量守恒和弹性碰撞是碰撞过程无机械能损失的碰撞，遵循的规律是动量守恒和系统机械能守恒。确切的说是碰撞前后动量守恒，动能不变。在题目中常见系统机械能守恒。确切的说是碰撞前后动量守恒，动能不变。在题目中常见的弹性球、光滑的钢球及分子、原子等微观粒子的碰撞都是弹性碰撞。的弹性球、光滑的钢球及分子、原子等微观粒子的碰撞都是弹性碰撞。已
19、知已知A、B两个钢性小球质量分别是两个钢性小球质量分别是m1、m2，小球，小球B静止在光滑水静止在光滑水平面上，平面上，A以初速度以初速度v0与小球与小球B发生弹性碰撞，求碰撞后小球发生弹性碰撞，求碰撞后小球A的速度的速度v1，物体，物体B的速度的速度v2大小和方向大小和方向m2v2m1v1Bm1v0BAA第19页，本讲稿共40页解析：取小球解析：取小球A初速度初速度v0的方向为正方向，因发生的是弹性碰撞，碰的方向为正方向，因发生的是弹性碰撞，碰撞前后动量守恒、动能不变有：撞前后动量守恒、动能不变有：m1v0=m1v1+m2v2 由由两式得：两式得：，结论：（结论：（1）当）当m1=m2时，时
20、，v1=0，v2=v0，显然碰撞后，显然碰撞后A静止，静止，B以以A的的初速度运动，两球速度交换，并且初速度运动，两球速度交换，并且A的动能完全传递给的动能完全传递给B，因此，因此m1=m2也是动能传递最大的条件；以上弹性碰撞以动撞静的情景可以简也是动能传递最大的条件；以上弹性碰撞以动撞静的情景可以简单概括为：（质量）等大小，（速度和动能）交换了；小撞大，被弹回；单概括为：（质量）等大小，（速度和动能）交换了；小撞大，被弹回；大撞小，同向跑。大撞小，同向跑。第20页，本讲稿共40页（1 1）小球）小球mm1 1滑到的最大高度滑到的最大高度（2 2）小球）小球mm1 1从斜面滑下后，二者速度从斜
21、面滑下后，二者速度（3 3）若）若mm1 1=m=m2 2小球小球mm1 1从斜面滑下后，二者速度从斜面滑下后，二者速度例例1 1：如图所示，光滑水平面上质量为：如图所示，光滑水平面上质量为mm1 1=2kg=2kg的小球以的小球以v v0 0=2m/s=2m/s的初速冲向质量为的初速冲向质量为mm2 2=6kg=6kg静止的足够高的光滑的斜劈体，斜劈体静止的足够高的光滑的斜劈体，斜劈体与水平面接触处有一小段光滑圆弧。求：与水平面接触处有一小段光滑圆弧。求：例与练例与练v0m1m2第21页，本讲稿共40页（1 1）以向右为正，对上升过程水平方向由动量守恒）以向右为正，对上升过程水平方向由动量守
22、恒h=0.15m V=m1V0/（m1+m2）=0.5m/s对系统上升过程由机械能守恒对系统上升过程由机械能守恒析与解析与解（2 2）以向右为正，对系统全过程由动量守恒）以向右为正，对系统全过程由动量守恒 m1V0=（m1+m2）V对系统全过程由机械能守恒对系统全过程由机械能守恒第22页，本讲稿共40页析与解析与解联立以上两式，可得联立以上两式，可得（3 3）若若m1=m2注意注意m m1 1=m=m2 2交换速度。交换速度。m m1 1 m m2 2,v,v1 10 mm2,当两人交换位置后，船身位移的大小当两人交换位置后，船身位移的大小是多少？（不计水的阻力）是多少？（不计水的阻力）类似实
23、例类似实例第35页，本讲稿共40页过程分析：过程分析：此题初看上去较上题繁杂得多，物理模型也迥然相异，但实质上是大同小异，此题初看上去较上题繁杂得多，物理模型也迥然相异，但实质上是大同小异，如出一辙。试想，若把质量大的人换成两个人，其中一个人的质量为如出一辙。试想，若把质量大的人换成两个人，其中一个人的质量为m2，另，另一个人的质量为一个人的质量为m=m1-m2。由上一题可知，当两个质量都为。由上一题可知，当两个质量都为m2的人的人互换位置之后，船将原地不动。这样一来，原来的问题就转化为上题所示互换位置之后，船将原地不动。这样一来，原来的问题就转化为上题所示的物理模型了，当质量为的物理模型了，
24、当质量为m=m1-m2的人从船的一端走到另一端，求船的人从船的一端走到另一端，求船的位移。的位移。解：设船对地移动的位移为解：设船对地移动的位移为S，则质量为，则质量为m=m1-m2的人对地移动的人对地移动的位移就是的位移就是L-S，由动量守恒定律可得，由动量守恒定律可得 （M+2m2）S/t (m1-m2)(L-S)/t=0解得解得 S=(m1-m2)L/(M+m1+m2)第36页，本讲稿共40页2、如图、如图2所示，在光滑水平地面上，有两个光滑的直角三形木块所示，在光滑水平地面上，有两个光滑的直角三形木块A和和B，底边长分别为底边长分别为a、b，质量分别为，质量分别为M、m，若，若M=4m
25、，且不计任何摩擦力，且不计任何摩擦力，当当B滑到底部时，滑到底部时，A向后移了多少距离？向后移了多少距离？过程分析过程分析 选定木块选定木块A和和B整体作为研究对象，在整体作为研究对象，在B沿斜面下滑的过程中，与人船模型类同，该系统沿斜面下滑的过程中，与人船模型类同，该系统在水平方向上所受的合外力为零，所以，在水平在水平方向上所受的合外力为零，所以，在水平方向上动量守恒。方向上动量守恒。解：设当解：设当B沿斜面从顶端滑到底部时，沿斜面从顶端滑到底部时，A向后移动了向后移动了S，则，则B对地移动了对地移动了a-b S,由动量守恒定律得由动量守恒定律得 MS/t m(a b-S)/t=0解得解得
26、S=m(a-b)/(M+m)=(a b)/5第37页，本讲稿共40页3、质量为、质量为M的气球下系一质量可忽略的足够长的的气球下系一质量可忽略的足够长的绳子，绳子上距地面绳子，绳子上距地面H高处有一质量为高处有一质量为m的猴子。的猴子。开始时气球和猴子均静止在空中，猴子从某时刻开始时气球和猴子均静止在空中，猴子从某时刻开始沿绳子缓慢下滑，要它恰能滑到地面，开始开始沿绳子缓慢下滑，要它恰能滑到地面，开始下滑时，它下面的绳子至少应为多长？下滑时，它下面的绳子至少应为多长？过程分析：选定气球和猴子为一个系统，在猴子沿绳子下滑着地前的整过程分析：选定气球和猴子为一个系统，在猴子沿绳子下滑着地前的整个过
27、程中，系统在竖直方向上所受合外力为零，因此，在竖直方向上每个过程中，系统在竖直方向上所受合外力为零，因此，在竖直方向上每时每刻动量守恒，与人船模型类同。时每刻动量守恒，与人船模型类同。解：设猴子从开始下滑到着地历时解：设猴子从开始下滑到着地历时t，其间气球又上升了，其间气球又上升了h，由动量守恒定，由动量守恒定律得律得M h/t m H/t=0解得解得h=Hm/M因此，所求绳长至少应为因此，所求绳长至少应为L=H+h=H（M+m）/M第38页，本讲稿共40页 4、某人在一只静止的小船上练习射击，船和人连同枪（不包括子弹）及靶、某人在一只静止的小船上练习射击，船和人连同枪（不包括子弹）及靶的总质
28、量为的总质量为M，枪内装有，枪内装有n颗子弹，每颗子弹的质量为颗子弹，每颗子弹的质量为m，枪口到靶的距离，枪口到靶的距离为为L，子弹射出枪口时相对地面的速度为，子弹射出枪口时相对地面的速度为vO，在发射一颗子弹时，前一，在发射一颗子弹时，前一颗粒子弹已陷入靶中，则在发射完颗粒子弹已陷入靶中，则在发射完n颗子弹后，小船后退的距离为多颗子弹后，小船后退的距离为多少（不计水的阻力）。少（不计水的阻力）。过程分析过程分析 子弹发射时在枪内的运动，和击靶的过程，类似于人船模型中子弹发射时在枪内的运动，和击靶的过程，类似于人船模型中相互作用。连发相互作用。连发n颗子弹，相当于颗子弹，相当于n个人从船头走到
29、船尾。把船、人、枪、个人从船头走到船尾。把船、人、枪、靶和子弹作为一个系统进行研究，因该系统在水平方向上不受外力，所靶和子弹作为一个系统进行研究，因该系统在水平方向上不受外力，所以在这个方向上总动量守恒。以在这个方向上总动量守恒。解：设一颗子弹完成射击过程的历时为解：设一颗子弹完成射击过程的历时为t，小船移动，小船移动So，由动量守恒定律，由动量守恒定律可得可得 M+(n-1)m So/t m(L-So)/t=0解方程可得解方程可得So=mL/(M+nm)因此，发射因此，发射n颗子弹后，小船后退的距离颗子弹后，小船后退的距离S=nSo=nmL/(M+nm)第39页，本讲稿共40页四、反冲爆炸模
30、型四、反冲爆炸模型模型要点模型要点内力远大于外力，故系统动量守恒，有其他形式的能单向转化为动能。所内力远大于外力，故系统动量守恒，有其他形式的能单向转化为动能。所以以“爆炸爆炸”时，机械能增加，增加的机械能由化学能（其他形式的能）转时，机械能增加，增加的机械能由化学能（其他形式的能）转化而来。例如：炮发炮弹中的化学能转化为机械能；弹簧两端将物块弹射化而来。例如：炮发炮弹中的化学能转化为机械能；弹簧两端将物块弹射将弹性势能转化为机械能；核衰变时将核能转化为动能等。将弹性势能转化为机械能；核衰变时将核能转化为动能等。例题：有一辆炮车总质量为例题：有一辆炮车总质量为M，静止在水平光滑地面上，当把质量，静止在水平光滑地面上，当把质量为为m的炮弹沿着与水平面成的炮弹沿着与水平面成角发射出去，炮弹对地速度为，求炮角发射出去，炮弹对地速度为，求炮车后退的速度。车后退的速度。解：系统在水平面上不受外力，故水平方向动量守恒，炮弹对地的水平速解：系统在水平面上不受外力，故水平方向动量守恒，炮弹对地的水平速度大小为，设炮车后退方向为正方向，则度大小为，设炮车后退方向为正方向，则 第40页，本讲稿共40页