动量.能量物理模型

浅谈涉及动量、能量的模型动量与能量的综合问题一直是高中物理的重点和难点，也是高考的热点。在近几年的高考中，每年都有这类试题的出现。这类试题往往涉及到两个（或两个以上的）物体，物体与物体之间通过相互挤压、相互摩擦或者借助弹簧、绳子等相互作用，物理过程较为复杂，有较高的思维起点，需要学生具有综合运用所学知识，以及对物理过程进行全面、深入分析的能力。因而成为近年来理科综合能力测试（物理）中考查学生能力的重要素材。为了便于老师讲解和学生学习，可将常见的一些物理情景模块化，而相关的综合性的题目大多是这些模型的综合。模型一：子弹打木块模型［模型概述］子弹打木块的两种常见类型：①木块固定在水平面，子弹以初速度v0射击木块。由于物块固定在水平面，子弹在滑动摩擦力作用下在静止的木块中做匀减速直线运动。所以可对子弹利用动能定理，得：2022121mvmvdFtf（其中d为子弹在木块中的位移）②木块放在光滑的水平面上，子弹以初速度v0射击木块。这种类型又包括两种常见情况：①子弹留在木块中。最终子弹与木块达到共同速度。②子弹打穿木块。子弹与木块有各自的速度。这两种情况均可把子弹和木块看成一个系统，且由系统水平方向动量守恒，列出方程，求解出速度。并可与匀变速直线运动、平抛运动以及圆周运动相结合。［模型讲解］质量为M的木块静止在光滑水平面上，一质量为m速度为0v的子弹水平射入木块中，如果子弹所受阻力的大小恒为f，子弹没有穿出木块，木块和子弹的最终速度为共v，在这个过程中木块相对地面的位移为木s，子弹相对与地面的位移为子s，子弹相对与木块的位移为s。分析：画出运动草图（如下）子弹在滑动摩擦力作用下相对地面做匀减速直线运动；木块在滑动摩擦力作用下相对地面做匀加速运动。解：把子弹和木块看成一个系统。（1）由系统水平方向动量守恒，得：共vmMmv)(0mMmvv0＝共①（2）对木块和子弹分别利用动能定理。对木块用动能定理，得：212fsMv木共＝②对子弹用动能定理，得：2022121mvmvfs－＝－共子③由②＋③，得到sfmvvmssf20221)M21(－＋（）＝－共木子④观察方程④式，等式的左边表示摩擦力对系统做的功，右边表示系统动能的变化。该式表示的物理意义是：在不受外力作用下，系统内部摩擦力做功（摩擦力与物体相对位移的乘积）等于系统动能的变化。即：系统损失的机械能等于阻力乘以相对位移，即ΔE＝f·s相。体现的是功能关系。两种类型的共同点：A、系统内相互作用的两物体间的一对摩擦力做功的总和恒为负值。（因为有一部分机械能转化为内能）。B、摩擦生热的条件：必须存在滑动摩擦力和相对滑行的路程。大小为Q＝f·s相，其中：f是滑动摩擦力的大小，s相是两个物体的相对位移（在一段时间内“子弹”射入“木块”的深度，就是这段时间内两者相对位移的大小）。C、静摩擦力可对物体做功，但不能产生内能。静摩擦力即使对物体做功，由于相对位移为零而没有内能产生，系统内相互0v共v子s木ss作用的两物体间的一对静摩擦力做功的总和恒等于零。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。一般情况下mM，所以s木＜＜s相。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，即：可认为在子弹射入木块过程中木块没动。像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，全过程机械能的损失量可根据功能关系，利用以下关系式直接计算：ΔE＝f·s相。模型二：滑块模型［模型概述］一物块在木板上滑动，实质跟子弹打木块模型一样。QEsFN系统相，Q为摩擦在系统中产生的热量；［模型讲解］一个长为L、质量为M的长方形木块，静止在光滑水平面上，一个质量为m的物块（可视为质点），以水平初速度0v从木块的左端滑向右端，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。分析：可先根据动量守恒定律求出m和M的共同速度，再根据动能定理和能量守恒求出转化为内能的量Q。对物块，滑动摩擦力fF做负功，由动能定理得：2022121)(mvmvsdFtf即fF对物块做负功，使物块动能减少。对木块，滑动摩擦力fF做正功，由动能定理得221MvsFf，即fF对木块做正功，使木块动能增加，系统减少的机械能为：1)(2121212220dFsFsdFMvmvmvffft本题中mgFf，物块与木块相对静止时，vvt，则上式可简化为：2)(2121220tvMmmvmgd又以物块、木块为系统，系统在水平方向不受外力，动量守恒，则：3)(0tvMmmv联立式2、3得：)(220mMgMvd故系统机械能转化为内能的量为：)(2)(22020mMMmvmMgMvmgdFQf其中：d为物块和木板的相对位移，s为木块相对地面的位移。评点：系统内一对滑动摩擦力做功之和（净功）为负值，在数值上等于滑动摩擦力与相对位移的乘积，其绝对值等于系统机械能的减少量，即EsFf相。模型三、碰撞模型［模型概述］1.碰撞的特点：碰撞过程中，作用时间极短，两物体产生的位移可忽略，且内力远大于外力，总动量总是守恒的。2.碰撞的分类：按能量变化情况可分为弹性碰撞和非弹性碰撞（包括完全非弹性碰撞）。3.解题原则：（1）碰撞过程中动量守恒原则；（2）碰撞后系统动能不增原则；（3）碰撞后运动状态的合理性原则。碰撞过程的发生应遵循客观实际。如甲物追乙物并发生碰撞，碰前甲的速度必须大于乙的速度，碰后甲的速度必须小于、等于乙的速度或甲反向运动。甲、乙相向运动，至少其中一个反向或两个都静止。追碰是物理上一个重要模型，它涉及到动量定理、动量守恒定律、能量守恒等诸多知识点。［模型讲解］如图，在光滑的水平面上，有两个质量分别为1m和2m小球A、B，A球以0v的速度与静止的B球发生正碰。从动能损失情况分类，三种情况：a、弹性碰撞：无机械能损失的碰撞，满足动量守恒和机械能守恒221101vmvmvm222211201212121vmvmvm解得：021211vmmmmv021122vmmmvb、完全非弹性碰撞：碰后粘在一起，动能损失最大，动量守恒vmmvm2101201221max21)(21vmvmmEkc、非弹性碰撞：动量守恒，能量损失介于弹性碰撞和完全非弹性碰撞之间221101vmvmvm［模型演练］1.如图所示，光滑水平面上有大小相同的A、B两球在同一直线上运动，两球质量关系为ABmm2，规定向右为正方向，A、B两球的动量均为6kg·m/s，运动中两球发生碰撞，碰撞后A球的动量增量为smkg/4，则：（）A.左方是A球，碰撞后A、B两球速度大小之比为2:5B.左方是A球，碰撞后A、B两球速度大小之比为1:10C.右方是A球，碰撞后A、B两球速度大小之比为2:5D.右方是A球，碰撞后A、B两球速度大小之比为1:10解析：题中规定向右为正方向，而AB球的动量均为正，所以AB都向右运动，又ABmm2，所以BAvv2，可以判断A球在左方，CD错；碰撞后A的动量变化smkgpA/4，根据动量守恒可知，B球的动量变化smkgpB/4，所以碰后AB球的动量分别为smkgsmkgpsmkgsmkgpBA/10/)46('/2/)46('，解得5:2':'BAvv，所以A正确。评点：动量守恒定律的矢量性既是重点又是难点，解题时要遵循以下原则：先确定正方向，与正方向相同的矢量取正号，与正方向相反的矢量取负号，未知矢量当作正号代入式中，求出的结果若大于零，则与正方向相同，若小于零则与正方向相反，同时也要善于利用动量与动能的关系，但要注意它们的区别。模型四：弹簧连接体模型（有弹簧的碰撞）［模型概述］两物体之间通过弹簧作用，不受其它外力，满足动量守恒，从能量的观点看，AB0v系统的动能与弹簧弹性势能相互转化，并且当两物体速度相等时，弹簧弹性势能达到最大。因弹力做功的过程中弹力是个变力，并与动量、能量联系，所以分析解决这类问题时，要细致分析弹簧的动态过程，利用动能定理和功能关系等知识解题。［模型讲解］如图所示，在光滑的水平面上有质量为1m、2m的A、B两个小球固定在轻质弹簧的两端，开始时A、B静止，弹簧处于原长状态，在某时刻突然给A球以0v的初速度，试分析以后A、B小球的运动情况和弹簧弹性势能的变化情况。开始时BAvv，弹簧被压缩，A减速，B加速，a、到共vvvBA11时，弹簧被压到最短，弹性势能最大，然后弹簧得弹力使B加速，使A减速b、当弹簧恢复原长时，弹性势能为0，系统动能最大222101BAvmvmvm222221201212121BAvmvmvm相当于是弹性碰撞，解得：021212vmmmmvA，021122vmmmvBc、因为22ABvv，弹簧要被拉伸，B要减速，A要正向加速，到33BAvv时，弹簧被拉到最长，弹性势能最大。221201max)(2121共vmmvmEpd、当弹簧再次回到原长时，由动量守恒，机械能守恒，解得：04vvA04Bv，回到最初的状态。BA共vvvBA33BA2Av2BvAB0vAB共vvvBA11AB04vvA04Bv评点：系统动量守恒21pp，如果弹簧被作为系统内的一个物体时，弹簧的弹力对系统内物体做不做功都不影响系统的机械能。系统能量守恒PkEE，动能与势能相互转化。弹簧两端均有物体：弹簧伸长到最长或压缩到最短时，相关联物体的速度一定相等，弹簧具有最大的弹性势能。当弹簧恢复原长时，相互关联物体的速度相差最大，弹簧对关联物体的作用力为零。若物体再受阻力时，弹力与阻力相等时，物体速度最大。［模型演练］1.在光滑水平地面上有两个相同的弹性小球A、B，质量都为m，现B球静止，A球向B球运动，发生正碰。已知碰撞过程中总机械能守恒，两球压缩最紧时的弹性势能为EP，则碰前A球的速度等于（）A.mEPB.mEP2C.mEP2D.mEP22解析：设碰前A球的速度为v0，两球压缩最紧时的速度为v，根据动量守恒定律得出mvmv20，由能量守恒定律得220)2(2121vmEmvP，联立解得mEvP20，所以正确选项为C。2.如图所示，在光滑水平长直轨道上，A、B两小球之间有一处于原长的轻质弹簧，弹簧右端与B球连接，左端与A球接触但不粘连，已知mmmmBA22，，开始时A、B均静止。在A球的左边有一质量为m21的小球C以初速度0v向右运动，与A球碰撞后粘连在一起，成为一个复合球D，碰撞时间极短，接着逐渐压缩弹簧并使B球运动，经过一段时间后，D球与弹簧分离（弹簧始终处于弹性限度内）。（1）上述过程中，弹簧的最大弹性势能是多少？（2）当弹簧恢复原长时B球速度是多大？（3）若开始时在B球右侧某位置固定一块挡板（图中未画出），在D球与弹簧分离前使B球与挡板发生碰撞，并在碰后立即将挡板撤走，设B球与挡板碰撞时间极短，碰后B球速度大小不变，但方向相反，试求出此后弹簧的弹性势能最大值的范围。解析：（1）设C与A相碰后速度为v1，三个球共同速度为v2时，弹簧的弹性势能最大，由动量守恒，能量守恒有：202221max0220011012132121613212121mvmvmvEvvvmmvvvvmmvp（2）设弹簧恢复原长时，D球速度为3v，B球速度为4v24232143122121212mvmvmvmvmvmv则有332631014013vvvvvv，（3）设B球与挡板相碰前瞬间D、B两球速度65vv、650221mvmvmv与挡板碰后弹性势能最大，D、B两球速度相等，设为'v'3265mvmvmv24)4(836)4(238'321)2(21'643223232'2052020520220050550565vvmmvvvmmvvmvmEvvvvvvvvvvP