高考物理动量定理解题技巧及练习题及解析

高考物理动量定理解题技巧及练习题及解析

一、高考物理精讲专题动量定理

1．质量为m 的小球，从沙坑上方自由下落，经过时间t 1到达沙坑表面，又经过时间t 2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 ． 【答案】(1)122

()

mg t t t (2)1mgt 【解析】

试题分析：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t 1+t 2，而阻力作用时间仅为t 2，以竖直向下为正方向，有： mg(t 1+t 2)-Ft 2=0, 解得：

方向竖直向上

⑵仍然在下落的全过程对小球用动量定理：在t 1时间内只有重力的冲量，在t 2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： mgt 1-I=0,∴I=mgt 1方向竖直向上 考点：冲量定理

点评：本题考查了利用冲量定理计算物体所受力的方法．

2．如图所示，质量为m =245g 的木块（可视为质点）放在质量为M =0.5kg 的木板左端，足够长的木板静止在光滑水平面上，木块与木板间的动摩擦因数为μ= 0.4，质量为m 0 = 5g 的子弹以速度v 0=300m/s 沿水平方向射入木块并留在其中（时间极短），子弹射入后，g 取10m/s 2，求：

(1)子弹进入木块后子弹和木块一起向右滑行的最大速度v 1 (2)木板向右滑行的最大速度v 2 (3)木块在木板滑行的时间t

【答案】(1) v 1= 6m/s (2) v 2=2m/s (3) t =1s 【解析】 【详解】

(1)子弹打入木块过程，由动量守恒定律可得：

m 0v 0=(m 0+m )v 1

解得：

v 1= 6m/s

(2)木块在木板上滑动过程，由动量守恒定律可得：

(m 0+m )v 1=(m 0+m +M )v 2

解得：

v 2=2m/s

(3)对子弹木块整体，由动量定理得：

﹣μ(m 0+m )gt =(m 0+m )(v 2﹣v 1)

解得：物块相对于木板滑行的时间

21

1s v v t g

μ-=

=-

3．甲图是我国自主研制的200mm 离子电推进系统， 已经通过我国“实践九号”卫星空间飞行试验验证，有望在2015年全面应用于我国航天器．离子电推进系统的核心部件为离子推进器，它采用喷出带电离子的方式实现飞船的姿态和轨道的调整，具有大幅减少推进剂燃料消耗、操控更灵活、定位更精准等优势．离子推进器的工作原理如图乙所示，推进剂氙原子P 喷注入腔室C 后，被电子枪G 射出的电子碰撞而电离，成为带正电的氙离子．氙离子从腔室C 中飘移过栅电极A 的速度大小可忽略不计，在栅电极A 、B 之间的电场中加速，并从栅电极B 喷出．在加速氙离子的过程中飞船获得推力． 已知栅电极A 、B 之间的电压为U ，氙离子的质量为m 、电荷量为q ．

（1）将该离子推进器固定在地面上进行试验．求氙离子经A 、B 之间的电场加速后，通过栅电极B 时的速度v 的大小；

（2）配有该离子推进器的飞船的总质量为M ，现需要对飞船运行方向作一次微调，即通过推进器短暂工作让飞船在与原速度垂直方向上获得一很小的速度Δv ，此过程中可认为氙离子仍以第（1）中所求的速度通过栅电极B ．推进器工作时飞船的总质量可视为不变．求推进器在此次工作过程中喷射的氙离子数目N ．

（3）可以用离子推进器工作过程中产生的推力与A 、B 之间的电场对氙离子做功的功率的比值S 来反映推进器工作情况．通过计算说明采取哪些措施可以增大S ，并对增大S 的实际意义说出你的看法． 【答案】（1）（2）

（3）增大S 可以通过减小q 、

U 或增大m 的方法．

提高该比值意味着推进器消耗相同的功率可以获得更大的推力． 【解析】

试题分析：（1）根据动能定理有

解得：

（2）在与飞船运动方向垂直方向上，根据动量守恒有：MΔv=Nmv 解得：

（3）设单位时间内通过栅电极A 的氙离子数为n ，在时间t 内，离子推进器发射出的氙离子个数为N nt =，设氙离子受到的平均力为F '，对时间t 内的射出的氙离子运用动量定理，F t Nmv ntmv ='=，F '= nmv

根据牛顿第三定律可知，离子推进器工作过程中对飞船的推力大小F=F '= nmv 电场对氙离子做功的功率P= nqU 则

根据上式可知：增大S 可以通过减小q 、U 或增大m 的方法． 提高该比值意味着推进器消耗相同的功率可以获得更大的推力． （说明：其他说法合理均可得分） 考点：动量守恒定律；动能定理；牛顿定律.

4．两根平行的金属导轨，固定在同一水平面上，磁感强度B=0.5T 的匀强磁场与导轨所在平面垂直，导轨的电阻很小，可忽略不计．导轨间的距离l=0.20m ，两根质量均m=0.10kg 的平行金属杆甲、乙可在导轨上无摩擦地滑动，滑动过程中与导轨保持垂直，每根金属杆的电阻为R=0.50Ω．在t=0时刻，两杆都处于静止状态．现有一与导轨平行，大小0.20N 的恒力F 作用于金属杆甲上，使金属杆在导轨上滑动．经过T=5.0s ，金属杆甲的加速度为a=1.37 m/s 2，求此时两金属杆的速度各为多少？

【答案】8.15m/s 1.85m/s 【解析】

设任一时刻两金属杆甲、乙之间的距离为，速度分别为和

，经过很短时间

，杆

甲移动距离

，杆乙移动距离

，回路面积改变

由法拉第电磁感应定律，回路中的感应电动势：

回路中的电流：

杆甲的运动方程：

由于作用于杆甲和杆乙的安培力总是大小相等、方向相反，所以两杆的动量变化（时为0）等于外力F的冲量：

联立以上各式解得

代入数据得＝8.15m/s ＝1.85m/s

【名师点睛】

两杆同向运动，回路中的总电动势等于它们产生的感应电动势之差，即与它们速度之差有关，对甲杆由牛顿第二定律列式，对两杆分别运用动量定理列式，即可求解．

5．正方体密闭容器中有大量运动粒子，每个粒子质量为m，单位体积内粒子数量n为恒量。为简化问题，我们假定：粒子大小可以忽略；其速率均为v，且与器壁各面碰撞的机会均等；与器壁碰撞前后瞬间，粒子速度方向都与器壁垂直，且速率不变。利用所学力学知识，导出器壁单位面积所受粒子压力f与m、n和v的关系。（注意：解题过程中需要用到、但题目没有给出的物理量，要在解题时做必要的说明）

【答案】

【解析】

【分析】

根据“粒子器壁各面碰撞的机会均等”即相等时间内与某一器壁碰撞的粒子为该段时间内粒子总数的，一个粒子每与器壁碰撞一次给器壁的冲量是，据此根据动量定理求与某

一个截面碰撞时的作用力F；

【详解】

一个粒子每与器壁碰撞一次给器壁的冲量是：

在时间内能达到面积为S容器壁上的粒子所占据的体积为：

由于粒子有均等的概率与容器各面相碰，即可能达到目标区域的粒子数为：

根据动量定理得：

考虑单位面积，整理可以得到：

根据牛顿第三定律可知，单位面积所受粒子的压力大小为。

【点睛】

本题的关键是建立微观粒子的运动模型，然后根据动量定理列式求解平均碰撞冲力，要注意粒子的运动是无规则的。

6．如图甲所示，蹦床是常见的儿童游乐项目之一，儿童从一定高度落到蹦床上，将蹦床压下后，又被弹回到空中，如此反复，达到锻炼和玩耍的目的．如图乙所示，蹦床可以简化为一个竖直放置的轻弹簧，弹力的大小为kx （x 为床面下沉的距离，也叫形变量；k 为常量），蹦床的初始形变量可视为0，忽略空气阻力的影响．

（1）在一次玩耍中，某质量为m 的小孩，从距离蹦床床面高H 处由静止下落，将蹦床下压到最低点后，再被弹回至空中．

a ．请在图丙中画出小孩接触蹦床后，所受蹦床的弹力F 随形变量x 变化的图线；

b ．求出小孩刚接触蹦床时的速度大小v ；

c ．若已知该小孩与蹦床接触的时间为t ，求接触蹦床过程中，蹦床对该小孩的冲量大小I ． （2）借助F -x 图，可确定弹力做功的规律．在某次玩耍中，质量不同的两个小孩（均可视为质点），分别在两张相同的蹦床上弹跳，请判断：这两个小孩，在蹦床上以相同形变量由静止开始，上升的最大高度是否相同？并论证你的观点．

【答案】（1）a. b. 2v gH =I 22mgt m gH =+（2）上升高度与

质量m 有关，质量大的上升高度小 【解析】 【分析】

（1）a 、根据胡克定律求出劲度系数，抓住弹力与形变量成正比，作出弹力F 随x 变化的示意图．

b 、根据机械能守恒求出小孩刚接触蹦床时的速度大小；

c 、根据动量定理求出蹦床对该小孩的冲量大小．

（2）根据图线围成的面积表示弹力做功，得出弹力做功的表达式，根据动能定理求出弹力做功，从而求出x 1的值． 【详解】

（1）a.根据胡克定律得：F kx =，所以F 随x 的变化示意图如图所示

b.小孩子有高度H 下落过程，由机械能守恒定律：212

mgH mv = 得到速度大小：2v gH =

c.以竖直向下为正方向，接触蹦床的过程中，根据动量守恒：mgt I mv mv +=-- 其中2v gH =

可得蹦床对小孩的冲量大小为：22I mgt m gH =+

（2）设蹦床的压缩量为x ，小孩离开蹦床后上升了H ．从最低点处到最高点，重力做功

()mg x H -+，根据F-x 图象的面积可求出弹力做功：2

2kx W =-弹

从最低点处到最高点，根据动能定理：()2

02

kx mg H x -++=

可得：2

2kx H x mg

=

-，可以判断上升高度与质量m 有关，质量大的上升高度小． 【点睛】

解决本题的关键知道运动员在整个过程中的运动情况，结合运动学公式、动能定理等知识进行求解．

7．电磁弹射在电磁炮、航天器、舰载机等需要超高速的领域中有着广泛的应用，图1所示为电磁弹射的示意图．为了研究问题的方便，将其简化为如图2所示的模型（俯视图）．发射轨道被简化为两个固定在水平面上、间距为L 且相互平行的金属导轨，整个装置处于竖直向下、磁感应强度为B 的匀强磁场中．发射导轨的左端为充电电路，已知电源的电动势为E ，电容器的电容为C ，子弹载体被简化为一根质量为m 、长度也为L 的金属导体棒，其电阻为r ．金属导体棒，其电阻为r ．金属导体棒垂直放置于平行金属导轨上，忽略一切摩擦阻力以及导轨和导线的电阻．

（1）发射前，将开关S 接a ，先对电容器进行充电． a ．求电容器充电结束时所带的电荷量Q ；

b ．充电过程中电容器两极板间的电压y 随电容器所带电荷量q 发生变化．请在图3中画出u-q 图像；并借助图像求出稳定后电容器储存的能量E 0；

（2）电容器充电结束后，将开关b ，电容器通过导体棒放电，导体棒由静止开始运动，导体棒离开轨道时发射结束．电容器所释放的能量不能完全转化为金属导体棒的动能，将导体棒离开轨道时的动能与电容器所释放能量的比值定义为能量转化效率．若某次发射结束时，电容器的电量减小为充电结束时的一半，不计放电电流带来的磁场影响，求这次发射过程中的能量转化效率η．

【答案】（1）a ．Q CE =；b ．

；2

012E CE =（2）223B L C m

η=

【解析】

（1）a 、根据电容的定义Q

C U

=

电容器充电结束时其两端电压U 等于电动势E ，解得电容器所带电荷量Q CE = b 、根据以上电容的定义可知q

u C

=

，画出q-u 图像如图所示：

有图像可知，稳定后电容器储存的能量0E 为图中阴影部分的面积01

2

E EQ =，

将Q 代入解得2

012

E CE =

（2）设从电容器开始放电至导体棒离开轨道时的时间为t ，放电的电荷量为Q ?，平均电流为I ，导体棒离开轨道时的速度为v

根以导体棒为研究对象，根据动量定理0BLIt mv =-，（或BLi t m v ∑?=∑?）， 据电流定义可知It Q =?（或i t Q ∑?=?）

根据题意有1122Q Q CE ?=

=，联立解得2BLCE v m

= 导体棒离开轨道时的动能()2

2128k

BLCE E mv m == 电容器释放的能量222

113228

E CE CU CE ?=-=

联立解得能量转化效率223k E B L C

E m

η==

?

8．一垒球手水平挥动球棒，迎面打击一以速度水平飞来的垒球，垒球随后在离打击

点水平距离为

的垒球场上落地。设垒球质量为0.81kg ，打击点离地面高度为2.2m ，球

棒与垒球的作用时间为0.010s ，重力加速度为，求球棒对垒球的平均作用力的大

小。 【答案】900N 【解析】 【详解】

由题意可知，垒球被击后做平抛运动，竖直方向：h=gt 2

所以：

水平方向：x=vt

所以球被击后的速度：

选取球被击出后的速度方向为正方向，则：v 0=-5m/s

设平均作用力为F ，则：Ft 0=mv-mv 0 代入数据得：F=900N 【点睛】

此题主要考查平抛运动与动量定理的应用，其中正确判断出垒球被击后做平抛运动是解答的关键；应用动量定理解题时注意正方向．

9．如图所示，小球A 系在细线的一端，细线的另一端固定在0点，0点到水平面的距离为h.物块B 的质量是小球A 的2倍，置于粗糙的水平面上且位于0点的正下方，物块与水平面之间的动摩擦因数为μ.现拉动小球使细线水平伸直，小球由静止开始释放，运动到最低点时与物块发生弹性正碰.小球与物块均视为质点，不计空气阻力，重力加速度为g.求：

(1)碰撞后，小球A 反弹瞬间的速度大小； (2)物块B 在水平面上滑行的时间t.

【答案】（1（2 【解析】

（1）设小球的质量为m ，运动到最低点与物块碰撞前的速度大小为1v ，碰后A 、B 速度分别为1v '和2v '，碰撞前后的动量和机械都守恒，则有：

2

112

mgh mv =

1122mv mv mv ''=+

222112111

2222

mv mv mv ''=+?

解得：1v '=2v '=，

所以碰后A ； （2）物块在水平面上滑行所受摩擦力的大小2F mg μ=， 设物块在水平面上滑行的时间为t ，根据动量定量，有：

202Ft mv '-=-

解得：t =

． 点睛：本题综合考查动量守恒定律、机械能守恒定律及动量定理，要注意正确分析物理过程，选择合适的物理规律求解，要明确碰撞的基本规律是系统的动量守恒．

10．花样滑冰赛场上，男女运动员一起以速度v 0=2 m/s 沿直线匀速滑行，不计冰面的摩擦，某时刻男运动员将女运动员以v 1=6 m/s 的速度向前推出，已知男运动员的质量为M =60 kg ，女运动员的质量为m =40 kg ，求： （1）将女运动员推出后，男运动员的速度； （2）在此过程中，男运动员推力的冲量大小； 【答案】(1)22

/3

v m s =-；(2) I=160N·s 【解析】 【分析】 【详解】

①设推出女运动员后，男运动员的速度为2v ，根据动量守恒定律

()012M m v mv Mv +=+

解得22

/3

v m s =-

，“﹣”表示男运动员受到方向与其初速度方向相反． ②在此过程中，对运动员有：

10I mv mv =-

解得I =160N·

s

11．柴油打桩机的重锤由气缸、活塞等若干部件组成，气虹与活塞间有柴油与空气的混合物．在重锤与桩碰摊的过程中，通过压缩使混合物燃烧，产生高温高压气体，从而使桩向下运动，锤向上运动．现把柴油打桩机和打桩过程简化如下：柴油打桩机重锤的质量为

m ，锤在桩帽以上高度为h 处（如图1）从静止开始沿竖直轨道自由落下，打在质量为M

（包括桩帽）的钢筋混凝土桩子上，同时，柴油燃烧，产生猛烈推力，锤和桩分离，这过程的时间极短．随后，桩在泥土中向下移动一距离l ．已知锤反跳后到达最高点时，锺与已停下的桩子之间的距离也为h （如图2）．已知

31.010kg m =?，32.010kg M =?， 2.0m h =，0.2m l =，重力加速度210m/s g =，

混合物的质量不计，设桩向下移动的过程中泥土对桩的作用力F 是恒力，求：

（1）重锤m 与桩子M 发生碰撞之前的速度1v 大小；

（2）重锤m 与桩子M 发生碰后即将分离瞬间，桩子的速度V 大小； （3）桩向下移动的过程中泥土对桩的作用力F 的大小．

【答案】（1）1210m/s v = （2）见解析 （3）5

2.110F N =? 【解析】

（1）锤自由下落，设碰桩前速度大小为1v ，由动能定理得：

211

2

mgh mv =

化简得：12210m/s v gh =

即锤与桩碰撞前的瞬间，锤速度的大小为210m/s （2）碰后，设碰后锤的速度大小为2v ，由动能定理得：

221

()2

mg h l mv -=

化简得：2v =

设碰后桩的速度为V ，由动量守恒定律得：

12mv MV mv =-

解得(3/V m s =

桩下降的过程中，根据动能定理得：

21

02

Fl Mgl MV -+=- 解得：52.110F N =?

即桩向下移动的过程中泥土对桩的作用力的大小为52.110N ?

故本题答案是：（1）1v = （2）(3/V m s = （3）5

2.110F N =?

点睛：利用动能定理求解重锤落下的速度以及重锤反弹的速度，，根据动量守恒求木桩下落的速度．

12．质量是40kg 的铁锤从5m 的高处自由落下，打在一高度可忽略的水泥桩上没有反弹，与水泥桩撞击的时间是0.05s ，不计空气阻力．求：撞击时，铁锤对桩的平均冲击力的大小．

【答案】8400N 【解析】

由动能定理得：mgh=

12

mv 2

-0，

铁锤落地时的速度：10/v m s === 设向上为正方向，由动量定理得：（F-mg ）t=0-(-mv) 解得平均冲击力F=8400N ；

点睛：此题应用动能定理与动量定理即可正确解题，解题时注意正方向的选择；注意动能定理和动量定理是高中物理中很重要的两个定理，用这两个定理解题快捷方便，要做到灵活运用．