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教科版学年高中物理选修35教学案全集打包19份
第1节
碰__撞
(对应学生用书页码P1)
一、碰撞现象
1.碰撞
做相对运动的两个(或几个)物体相遇而发生相互作用,运动状态发生改变的过程。
2.碰撞特点
(1)时间特点:
在碰撞过程中,相互作用时间很短。
(2)相互作用力特点:
在碰撞过程中,相互作用力远远大于外力。
(3)位移特点:
在碰撞过程中,物体发生速度突变时,位移极小,可认为物体在碰撞前后仍在同一位置。
试列举几种常见的碰撞过程。
提示:
棒球运动中,击球过程;子弹射中靶子的过程;重物坠地过程等。
二、用气垫导轨探究碰撞中动能的变化
1.实验器材
气垫导轨,数字计时器、滑块和光电门,挡光条和弹簧片等。
2.探究过程
(1)滑块质量的测量仪器:
天平。
(2)滑块速度的测量仪器:
挡光条及光电门。
(3)数据记录及分析,碰撞前、后动能的计算。
三、碰撞的分类
1.按碰撞过程中机械能是否损失分为:
(1)弹性碰撞:
碰撞过程中动能不变,即碰撞前后系统的总动能相等,Ek1+Ek2=Ek1′+Ek2′。
(2)非弹性碰撞:
碰撞过程中有动能损失,即动能不守恒,碰撞后系统的总动能小于碰撞前系统的总动能。
Ek1′+Ek2′<Ek1+Ek2。
(3)完全非弹性碰撞:
碰撞后两物体黏合在一起,具有相同的速度,这种碰撞动能损失最大。
2.按碰撞前后,物体的运动方向是否沿同一条直线可分为:
(1)对心碰撞(正碰):
碰撞前后,物体的运动方向沿同一条直线。
(2)非对心碰撞(斜碰):
碰撞前后,物体的运动方向不在同一直线上。
(高中阶段只研究正碰)。
(对应学生用书页码P1)
探究一维碰撞中的不变量
1.探究方案
方案一:
利用气垫导轨实现一维碰撞
(1)质量的测量:
用天平测量。
(2)速度的测量:
v=,式中Δx为滑块(挡光片)的宽度,Δt为数字计时器显示的滑块(挡光片)经过光电门的时间。
(3)各种碰撞情景的实现:
利用弹簧片、细绳、弹性碰撞架、胶布、撞针、橡皮泥设计各种类型的碰撞,利用滑块上加重物的方法改变碰撞物体的质量。
方案二:
利用等长悬线悬挂等大小球实现一维碰撞
(1)质量的测量:
用天平测量。
(2)速度的测量:
可以测量小球被拉起的角度,从而算出碰撞前对应小球的速度,测量碰撞后小球摆起的角度,算出碰撞后对应小球的速度。
(3)不同碰撞情况的实现:
用贴胶布的方法增大两球碰撞时的能量损失。
方案三:
利用小车在光滑桌面上碰撞另一静止小车实现一维碰撞。
(1)质量的测量:
用天平测量。
(2)速度的测量:
v=,Δx是纸带上两计数点间的距离,可用刻度尺测量。
Δt为小车经过Δx所用的时间,可由打点间隔算出。
2.实验器材
方案一:
气垫导轨、光电计时器、天平、滑块(两个)、弹簧片、细绳、弹性碰撞架、胶布、撞针、橡皮泥。
方案二:
带细线的摆球(两套)、铁架台、天平、量角器、坐标纸、胶布等。
方案三:
光滑长木板、打点计时器、纸带、小车(两个)、天平、撞针、橡皮泥。
3.实验步骤
不论采用哪种方案,实验过程均可按实验方案合理安排,参考步骤如下:
(1)用天平测相关质量。
(2)安装实验装置。
(3)使物体发生碰撞。
(4)测量或读出相关物理量,计算有关速度。
(5)改变碰撞条件,重复步骤(3)、(4)。
(6)进行数据处理,通过分析比较,找出碰撞中的守恒量。
(7)整理器材,结束实验。
4.数据处理
为了探究碰撞中的不变量,将实验中测得的物理量填入如下表格
碰撞前
碰撞后
质量
m1
m2
m1
m2
速度
v1
v2
v1′
v2′
mv
m1v1+m2v2
m1v1′+m2v2′
mv2
m1v12+m2v22
m1v1′2+m2v2′2
v1/m1+v2/m2
v1′/m1+v2′/m2
经过验证后可知,在误差允许的范围内,碰撞前后不变的量是物体的质量与速度的乘积,即m1v1+m2v2=m1v1′+m2v2′。
1.如图111所示为用气垫导轨实验探究碰撞中的不变量的实验装置,遮光片D在运动过程中的遮光时间Δt被光电计时器自动记录下来。
在某次实验中,滑块1和滑块2质量分别为m1=0.240kg、m2=0.220kg,滑块1运动起来,向着静止的导轨上的滑块2撞去,碰撞之前滑块1的挡光片经过光电门时,光电计时器自动记录下来的时间Δt=110.7ms。
碰撞之后,滑块1和滑块2粘连在一起,挡光片通过光电门的时间Δt′=214.3ms,已知两滑块上的挡光板的宽度都是Δx=3cm,问:
图111
(1)碰撞前后两滑块各自的质量与速度乘积之和相等吗,即m1v1+m2v2=m1v1′+m2v2′成立吗?
(2)碰撞前后两滑块各自的质量与速度平方乘积之和相等吗,即m1v12+m2v22=m1v′12+m2v2′2成立吗?
解析:
(1)因为滑块遮光片的宽度是Δx,遮光片通过光电门的时间是Δt,所以滑块速度可用公式v=求出。
碰撞之前,滑块1的速度v1==m/s=0.271m/s
碰撞之前,滑块2静止,所以v2=0
碰撞之后,两滑块粘连在一起
v1′=v2′==m/s=0.140m/s
m1v1+m2v2=0.240×0.271kg·m/s=0.065kg·m/s
m1v1′+m2v2′=(0.240+0.220)×0.140kg·m/s=0.064kg·m/s
所以,在误差允许范围内,
m1v1+m2v2=m1v1′+m2v2′成立。
(2)碰撞之前:
m1v12+m2v12=0.240×0.2712J=0.018J
碰撞之后:
m1v1′2+m2v2′2=(0.240+0.220)×0.1402J=0.009J
可见m1v12+m2v22>m1v1′2+m2v2′2
答案:
(1)成立
(2)不成立
对弹性碰撞和非弹性碰撞的理解
1.碰撞中能量特点:
碰撞过程中,一般伴随机械能的损失,即Ek1′+Ek2′≤Ek1+Ek2,其中,碰撞过程中,无机械能损失的碰撞为弹性碰撞。
2.弹性碰撞:
若两球碰撞后形变能完全恢复,并没有能量损失,碰撞前后系统的动能相等,这类碰撞称为弹性碰撞。
3.非弹性碰撞:
若两球碰后它们的形变不能完全恢复原状,一部分动能最终转化为内能,碰前碰后系统的动能不再相等,这种碰撞叫做非弹性碰撞。
如果碰撞后二者成为一个整体,系统的动能损失得最多,这种碰撞叫做完全非弹性碰撞。
2.在光滑的水平面上,动能为E0的钢球1与静止钢球2发生碰撞,碰后球1反向运动,其动能大小记为E1,球2的动能大小记为E2,则必有( )
A.E1<E0 B.E1=E0
C.E2>E0D.E2=E0
解析:
选A 根据碰撞前后动能关系得E1+E2≤E0,必有E1<E0,E2<E0。
故只有A项对。
(对应学生用书页码P2)
实验探究碰撞过程中的不变量
[例1] 某同学设计了一个用打点计时器探究碰撞过程中不变量的实验:
在小车A的前端粘有橡皮泥,推动小车A使之做匀速运动,然后与原来静止在前方的小车B相碰并粘合成一体,继续做匀速运动,他设计的装置如图112甲所示。
在小车A后面连着纸带,电磁打点计时器所接电源频率为50Hz,长木板的一端下垫着小木块用以平衡摩擦力。
图112
(1)若已得到打点纸带如图112乙所示,并测得各计数点间距离标在图上,A为运动起始的第一点,则应选________段来计算A碰撞前速度,应选________段来计算A和B碰撞后的共同速度。
(2)已测得小车A的质量m1=0.40kg,小车B的质量m2=0.20kg,由以上测量结果可得:
碰撞前两车质量与速度乘积之和为________kg·m/s;
碰撞后两车质量与速度乘积之和为________kg·m/s。
(3)结论__________________。
[解析]
(1)从分析纸带上打点的情况看,BC段既表示小车做匀速运动,又表示小车有较大的速度,而AB段相同时间内间距不一样,说明刚开始不稳定,因此BC段能较准确描述小车A碰撞前的运动情况,故应用BC段计算A碰撞前的速度,从CD段打点情况看,小车的运动情况还没稳定,而在DE段小车运动稳定,故应选DE段计算小车A和B碰撞后的共同速度。
(2)小车A碰撞前速度
v1==m/s=1.050m/s;
小车A碰前的质量与速度乘积为
m1v1=0.40×1.050kg·m/s=0.420kg·m/s。
碰撞后小车A、B共同速度
v1′==m/s=0.695m/s;
两车碰撞后的质量与速度乘积之和为
m1v1′+m2v2′=(m1+m2)v1′=(0.40+0.20)×0.695kg·m/s=0.417kg·m/s。
(3)碰前的质量与速度乘积之和等于碰后的质量与速度乘积之和,即碰撞过程中的不变量为质量与速度乘积之和。
[答案]
(1)BC DE
(2)0.420 0.417 (3)见解析
用能量的观点判断碰撞的类别
[例2] 质量为5kg的A球以3m/s的速度与质量为10kg静止的B球发生碰撞,碰后A球以1m/s的速度反向弹回,B球以2m/s的速度向前运动,试分析:
(1)碰撞过程中损失了多少动能。
(2)两球的碰撞属于何种类型的碰撞。
[解析]
(1)碰撞前物体的动能
EkA=mAvA2=×5×32J=22.5J
碰撞后物体的动能
E′k=EkA′+EkB′=mAvA′2+mBvB2
=×5×12J+×10×22J=22.5J。
故碰撞过程中无动能损失。
(2)由于碰撞过程中无动能损失,故两球的碰撞属于弹性碰撞。
[答案]
(1)0
(2)弹性碰撞
(1)物体间发生完全弹性碰撞后形变能完全恢复,碰撞系统的动能守恒;物体间发生非弹性碰撞后形变不能完全恢复,碰撞系统的动能有损失;物体间发生完全非弹性碰撞后,形变完全不能恢复,碰撞系统的动能损失最大。
(2)质量为m的运动物体与质量为m的静止物体发生弹性碰撞后,两物体交换速度。
(对应学生用书页码P3)
1.在研究两物体的碰撞问题时,除利用气垫导轨外,还可以利用打点计时器研究,试分析下列关于用打点计时器的研究正确的是( )
A.相互作用的两车上,一个装上撞针,一个装上橡皮泥,是为了改变两车的质量
B.相互作用的两车上,一个装上撞针,一个装上橡皮泥,是为了碰撞后粘在一起
C.先接通打点计时器电源,再释放拖动纸带的小车
D.先释放拖动纸带的小车,再接通打点计时器的电源
解析:
选BC 车的质量可以用天平测量,改变小车的质量可以加砝码,没有必要一个用钉子而另一个用橡皮泥配重,这样做的目的是为了碰撞后粘在一起有共同速度,便于测量碰后的速度,选项B正确。
打点计时器的使用原则是先接通电源,C项正确。
2.下面对于碰撞的理解,正确的是( )
A.运动的物体碰撞时,在极短时间内它们的运动状态发生显著变化
B.在碰撞现象中,一般来说物体所受的外力作用不能忽略
C.如果碰撞过程中动能不变,则这样的碰撞叫做非弹性碰撞
D.根据碰撞过程中动能是否守恒,碰撞可分为正碰和斜碰
图113
解析:
选A 碰撞的主要特点是:
相互作用时间短,作用力峰值大,因而其他外力可以忽略不计,在极短时间内物体的运动状态发生明显变化,故A对B错。
根据碰撞过程中动能是否守恒,碰撞分为弹性碰撞和非弹性碰撞,其中动能不变的碰撞称为弹性碰撞,故C、D错。
3.如图113所示,P物体与一个连着弹簧的Q物体正碰,碰后P物体静止,Q物体以P物体碰前的速度v离开,已知P与Q质量相等,弹簧质量忽略不计,那么当弹簧被压缩至最短时,下列的结论中正确的是( )
A.P的速度恰好为零
B.P与Q具有相同的速度
C.Q刚开始运动
D.Q的速度等于v
解析:
选B 弹簧被压缩到最短时,即为两物体相对静止时,此时两物体具有相同的速度,故B对。
4.在公路上甲、乙两车相撞,发生了一起车祸,甲车司机的前胸受伤,乙车司机的后背受伤,则这起车祸可能出现的情况是( )
①两车同向运动,甲车在前,乙车在后,乙车撞上甲车
②两车同向运动,乙车在前,甲车在后,甲车撞上乙车
③乙车司机在前倒车,甲车在乙车的后面向乙车运动,撞上了乙车
④两车相向运动,来不及刹车,互相撞上了
A.①③B.②③
C.①④D.②④
解析:
选B 甲司机胸前受伤,说明车受到突然向后的力,车速突然减小;乙司机后背受伤,说明乙车加速度向前,受到向前的力,即甲车从后面碰上乙车。
5.在利用气垫导轨探究碰撞中的不变量的实验中,哪些因素可导致实验误差( )
A.导轨安放不水平 B.小车上挡光板倾斜
C.两小车质量不相等D.两小车碰后连在一起
解析:
选AB 导轨不水平,小车速度将会受重力影响,A项对;挡光板倾斜会导致挡光板宽度不等于挡光阶段小车通过的位移,导致速度计算出现误差,B项对。
6.现有甲、乙两滑块,质量分别为3m和m,以相同的速率v在光滑水平面上相向运动,发生了碰撞。
已知碰撞后甲滑块静止不动,乙滑块反向运动,且速度大小为2v。
那么这次碰撞是( )
A.弹性碰撞B.非弹性碰撞
C.完全非弹性碰撞D.条件不足,无法确定
解析:
选A 碰前总动能:
Ek=·3m·v2+mv2=2mv2
碰后总动能:
Ek′=mv′2=2mv2,Ek=Ek′,
所以A对。
7.质量为1kg的A球以3m/s的速度与质量为2kg静止的B球发生碰撞,碰后两球以1m/s的速度一起运动。
则两球的碰撞属于________类型的碰撞,碰撞过程中损失了________动能。
解析:
由于两球碰后速度相同,没有分离,因此两球的碰撞属于完全非弹性碰撞,在碰撞过程中损失的动能为
ΔEk=mAv02-(mA+mB)v2
=×1×32J-×3×12J=3J。
答案:
完全非弹性碰撞 3J
图114
8.如图114甲所示,在水平光滑轨道上停着甲、乙两辆实验小车,甲车系一穿过打点计时器的纸带,当甲车受到水平向右的冲力时启动打点计时器,甲车运动一段距离后,与静止的乙车发生正碰并粘在一起运动,纸带记录下碰撞前甲车和碰撞后两车运动情况,如图114乙所示,电源频率为50Hz,则碰撞前甲车速度大小为________m/s,碰撞后两车的共同速度大小为________m/s。
解析:
碰撞前甲在0.04s内的位移x=2.4cm,
则v===0.6m/s,碰撞后二者在0.04s内运动的位移x2=1.6cm,由v=可得v==0.4m/s。
答案:
0.6 0.4
9.如图115所示为气垫导轨上两个滑块A、B相互作用后运动过程的频闪照片,频闪的频率为10Hz。
开始时两个滑块静止,它们之间有一根被压缩的轻弹簧,滑块用绳子连接,绳子烧断后,两个滑块向相反方向运动,已知滑块A、B的质量分别为200g、300g,根据照片记录的信息,A、B离开弹簧后,A滑块做________运动,其速度大小为________m/s,本实验中得出的结论是__________________________________________________________。
图115
解析:
烧断细绳前:
vA=0,vB=0,所以有mAvA+mBvB=0,烧断细绳后:
vA′=0.09m/s,vB′=0.06m/s,
规定向右为正方向,则有
mAvA′+mBvB′=0.2×(-0.09)kg·m/s+0.3×0.06kg·m/s=0,
则由以上计算可知:
mAvA+mBvB=mAvA′+mBvB′。
答案:
匀速 0.09 细绳烧断前后滑块A、B的质量与速度乘积之和为不变量
10.如图116中,设挡光板宽度为3cm,左侧滑块碰后通过左侧光电计时装置时记录时间为3×10-1s,而右侧滑块通过右侧光电计时装置时记录的时间为2×10-1s,则两滑块碰撞后的速度大小分别是多少?
图116
解析:
挡光板有一定的宽度,设为L。
气垫导轨的框架上安装有光控开关,并与计时装置相连,构成光电计时装置。
当挡光板穿入时,将光挡住开始计时,穿过后不再挡光则停止计时,设记录的时间为t,则滑块相当于在L的位移上运动了时间t,所以滑块匀速运动的速度v=。
则v左==0.1m/s,
v右==0.15m/s。
答案:
0.1m/s 0.15m/s
11.质量分别为m1=1kg和m2=3kg的两个物体在光滑水平面上正碰,碰撞时间忽略不计,其x-t图像如图117所示,试通过计算回答:
碰撞前后m1v、m2v的总量是否守恒?
图117
解析:
碰撞前:
v1=4m/s,
v2=0m/s,
m1v1+m2v2=4kg·m/s
碰撞后:
v1′=-2m/s,v2′=2m/s,
m1v1′+m2v2′=4kg·m/s
所以碰撞前后m1v、m2v的总量守恒。
答案:
守恒
图118
12.如图118所示在离地面3h的平台边缘有一质量为m1的小球A,在其上方悬挂着一个质量为m2的摆球B,当球B从离平台某高处由静止释放到达最低点时,恰与A发生正碰,使A球水平抛出,已知碰后A着地点距抛出点的水平距离为3h,B偏离的最大高度为h,试求碰后两球的速度大小。
解析:
碰后对B球由机械能守恒可知:
m2gh=m2v22
v2=。
对A球:
3h=gt2
v1t=3h
v1=。
答案:
v1= v2=
第2节
动__量
(对应学生用书页码P4)
一、动量的概念
1.定义
物体的质量和速度的乘积。
2.定义式
p=mv。
3.单位
在国际单位制中,动量的单位是kg·m/s。
4.方向
动量是矢量,其方向与物体的速度方向相同,动量的运算服从矢量运算。
[特别提醒] 在计算动量时必须规定正方向,与正方向同向为正,与正方向反向为负。
二、动量守恒定律
1.系统
相互作用的两个或多个物体组成的整体。
2.动量守恒定律
(1)内容:
如果一个系统不受外力或所受合外力为零,这个系统的总动量保持不变。
(2)成立条件:
系统不受外力或所受合外力为零。
(3)两物体在同一直线上运动时,动量守恒表达式:
m1v1+m2v2=m1v1′+m2v2′
3.动量守恒定律的适用范围及意义
动量守恒定律既适用于宏观领域,又适用于微观或高速领域,它是自然界中最普遍、最基本的定律之一。
1.判断:
(1)物体的质量越大,动量一定越大。
( )
(2)物体的速度大小不变,动量可能不变。
( )
(3)物体动量大小相同,动能一定相同。
( )
答案:
(1)×
(2)√ (3)×
图121
2.思考:
如图121所示,两个穿滑冰鞋的小孩静止在滑冰场上,不论谁推谁,两人都会向相反方向滑去。
在互相推动前,两人的动量都为零;由于推力作用,每个人的动量都发生了变化。
那么,他们的总动量在推动前后是否也发生了变化呢?
提示:
系统的总动量守恒,系统内的每个人的动量发生变化,但系统的内力(相互作用力)不会改变系统(两个人)的总动量,推动前、后总动量都为零。
(对应学生用书页码P5)
正确理解动量的概念
1.动量的瞬时性
通常说物体的动量是物体在某一时刻或某一位置的动量,动量的大小可用p=mv表示。
2.动量的矢量性
动量的方向与物体的瞬时速度的方向相同。
有关动量的运算,如果物体在一条直线上运动,则选定一个正方向后,动量的矢量运算就可以转化为代数运算。
3.动量的相对性
物体的动量与参考系的选择有关。
选择不同的参考系时,同一物体的动量可能不同,通常在不说明参考系的情况下,物体的动量是指物体相对地面的动量。
4.动量的变化量
是矢量,其表达式Δp=p2-p1为矢量式,运算遵循平行四边形定则,当p2、p1在同一条直线上时,可规定正方向,将矢量运算转化为代数运算。
5.动量与速度的关系
(1)联系:
动量和速度都是描述物体运动状态的物理量,都是矢量,动量的方向与速度的方向相同,p=mv。
(2)区别:
速度描述物体运动的快慢和方向;动量描述运动物体的作用效果。
6.动量与动能的关系
(1)联系:
都是描述物体运动状态的物理量,Ek==pv,p==。
(2)区别:
动量是矢量,动能是标量;动能从能量的角度描述物体的状态,动量从运动物体的作用效果方面描述物体的状态。
动量是矢量,两个物体的动量相等,说明其大小相等,方向也相同。
1.关于动量的概念,下列说法正确的是( )
A.动量大的物体惯性一定大
B.动量大的物体运动一定快
C.动量相同的物体,运动方向一定相同
D.动量相同的物体,速度小的惯性大
解析:
选CD 动量大的物体,质量不一定大,惯性也不一定大,A错;同样,动量大的物体,速度也不一定大,B也错;动量相同指动量的大小和方向均相同,而动量的方向就是物体运动的方向,故动量相同的物体,运动方向一定相同,C对;动量相同的物体,速度小的质量大,惯性大,D也对。
对动量守恒定律的理解
1.研究对象:
动量守恒定律的研究对象是相互作用的物体组成的系统。
2.对系统“总动量保持不变”的三点理解:
(1)系统的总动量是指系统内各物体动量的矢量和,总动量不变指的是系统的总动量的大小和方向都不变。
(2)系统的总动量保持不变,但系统内每个物体的动量可能在不断变化。
(3)系统在整个过程中任意两个时刻的总动量都相等,不能误认为只是初、末两个状态的总动量相等。
3.动量守恒定律的“五性”:
(1)条件性:
应用动量守恒定律时,一定要先判断系统是否满足动量守恒的条件。
①系统不受外力作用,这是一种理想化的情形,如宇宙中两星球的碰撞,微观粒子间的碰撞都可视为这种情形。
②系统受外力作用,但所受合外力为零。
③系统受外力作用,但外力远远小于系统内各物体间的内力,系统的总动量近似守恒。
例如,手榴弹在空中爆炸的瞬间,弹片所受火药爆炸时的内力远大于其重力,重力完全可以忽略不计,系统的动量近似守恒。
④系统受外力作用,所受的合外力不为零,但在某一方向上合外力为零,则系统在该方向上动量守恒。
(2)矢量性:
动量守恒定律的表达式是一个矢量式,其矢量性表现在:
①系统的总动量在相互作用前后不仅大小相等,而且方向也相同。
②在求初、末状态系统的总动量p=p1+p2+…和p′=p1′+p2′+…时要按矢量运算法则计算。
如果各物体动量的方向在同一直线上,要选取正方向,将矢量运算转化为代数运算。
计算时切不可丢掉表示方向的正、负号。
(3)相对性:
动量守恒定律中,系统中各物体在相互作用前后的动量必须相对于同一参考系,通常为地面。
(4)同时性:
动量守恒定律中p1、p2…必须是系统中各物体在相互作用前同一时刻的动量,p1′、p2′…必须是系统中各物体在相互作用后同一时刻的动量。
(5)普适性:
动量守恒定律不仅适用于两个物体组成的系统,也适用于多个物体组成的系统。
不仅适用于宏观物体组成的系统,也适用于微观粒子组成的系统。
如果一个系统满足动量守恒的条件,它的总动量方向是满足守恒条件后的总动量方向。
如果受力情况变化,要注意不同受力情况下是否满足守恒条件。
2.下列说法中正确的是( )
A.若系统不受外力作用,则该系统的机械能守恒
B.若系统不受外力作用,则该系统的动量守恒
C.平抛运动中,物体水平方向不受力,则水平方向的动能不变
D.平抛运动中,物体水平方向不受力,则水平方向的动量不变
解析:
选