新教材適用2023-2024學(xué)年高中物理第一章動(dòng)量與動(dòng)量守恒定律5.碰撞課件教科版選擇性必修第一冊(cè)

5.碰撞第一章內(nèi)容索引010203自主預(yù)習(xí)新知導(dǎo)學(xué)合作探究釋疑解惑隨堂練習(xí)課標(biāo)定位素養(yǎng)闡釋1.通過實(shí)驗(yàn),了解彈性碰撞和非彈性碰撞的特點(diǎn)。2.定量分析一維碰撞問題并能解釋生產(chǎn)生活中的彈性碰撞和非彈性碰撞現(xiàn)象。1.知道彈性碰撞、非彈性碰撞的特點(diǎn)。了解粒子的散射現(xiàn)象,進(jìn)一步理解動(dòng)量守恒定律的普適性,培養(yǎng)正確的物理觀念。2.學(xué)會(huì)利用動(dòng)量守恒定律和能量守恒定律分析、解決一維碰撞問題,培養(yǎng)科學(xué)思維能力。自主預(yù)習(xí)新知導(dǎo)學(xué)一、碰撞的分類1.彈性碰撞:碰撞過程中,系統(tǒng)總機(jī)械能保持不變的碰撞,稱為彈性碰撞。2.非彈性碰撞:若兩滑塊在碰撞后的總機(jī)械能減少了,這說明兩滑塊在碰撞過程中,有一部分機(jī)械能轉(zhuǎn)化為其他形式的能量,這種碰撞稱為非彈性碰撞。3.完全非彈性碰撞:在非彈性碰撞中,如果兩物體碰后粘在一起,以相同的速度運(yùn)動(dòng),物理學(xué)上把這種碰撞稱為完全非彈性碰撞。完全非彈性碰撞是非彈性碰撞中機(jī)械能損失最多的一種。4.在微觀世界中,正、負(fù)離子碰撞后共同組成分子的過程也屬于完全非彈性碰撞。碰撞過程中,兩物體相互作用時(shí)間很短,即使有外力作用,也遠(yuǎn)小于碰撞物體之間的相互作用力(內(nèi)力),因此可以忽略外力作用的影響,認(rèn)為碰撞過程中動(dòng)量守恒。5.如圖所示,打臺(tái)球時(shí),質(zhì)量相等的母球與目標(biāo)球發(fā)生碰撞,兩個(gè)球一定交換速度嗎?答案:不一定。只有質(zhì)量相等的兩個(gè)物體發(fā)生一維彈性碰撞時(shí),系統(tǒng)的總動(dòng)量守恒,總機(jī)械能守恒,才會(huì)交換速度,否則不會(huì)交換速度。二、中子的發(fā)現(xiàn)1.中子發(fā)現(xiàn)的曲折過程(1)1928年,德國物理學(xué)家玻特用α粒子去轟擊輕金屬鈹(Be)時(shí),發(fā)現(xiàn)有一種貫穿力很強(qiáng)的中性射線,當(dāng)時(shí)他認(rèn)為是γ射線。(2)法國物理學(xué)家約里奧·居里夫婦進(jìn)行類似的實(shí)驗(yàn),用玻特發(fā)現(xiàn)的射線去轟擊石蠟,結(jié)果從石蠟中打出了質(zhì)子流,約里奧·居里夫婦認(rèn)為是γ射線撞擊石蠟里的氫原子核的結(jié)果。(3)1932年,盧瑟福的學(xué)生、英國物理學(xué)家查德威克研究了這種中性射線,測(cè)出它的速度不到光速的10%,從而否定這種中性射線是γ射線的看法。他用這種中性射線與質(zhì)量已知的氫核和氮核分別發(fā)生碰撞,并認(rèn)為這種碰撞是完全彈性的。他在實(shí)驗(yàn)室中測(cè)出了碰撞后的氫核和氮核的速度,于是就可以應(yīng)用動(dòng)量守恒定律和能量守恒定律求出這種中性粒子的質(zhì)量,從而發(fā)現(xiàn)中子。2.中子質(zhì)量的計(jì)算設(shè)中性粒子的質(zhì)量為m,碰前速率為v,碰后速率為v',氫核的質(zhì)量為mH,碰前速率為零,碰后速率為vH,碰撞前后的動(dòng)量和能量都守恒,則mv=mv'+mHvH3.兩小球發(fā)生對(duì)心碰撞,碰撞過程中,兩球的機(jī)械能守恒嗎?答案:兩球發(fā)生對(duì)心碰撞,動(dòng)量是守恒的,但機(jī)械能不一定守恒,只有發(fā)生彈性碰撞時(shí),機(jī)械能才守恒?！舅伎加懻摗?/p>

1.判斷下列說法的正誤。(1)發(fā)生碰撞的兩個(gè)物體,動(dòng)量是守恒的。(

)(2)發(fā)生碰撞的兩個(gè)物體,機(jī)械能是守恒的。(

)(3)碰撞后,兩個(gè)物體粘在一起,動(dòng)量是守恒的,但機(jī)械能損失是最大的。(

)√×√2.如圖所示,光滑水平地面上有兩個(gè)大小相同、質(zhì)量不等的小球A和B,A以3m/s的速率向右運(yùn)動(dòng),B以1m/s的速率向左運(yùn)動(dòng),發(fā)生正碰后都以2m/s的速率反彈,則A、B兩球的質(zhì)量之比為(

)A.3∶5

B.2∶3C.1∶2 D.1∶3答案:A解析:兩球碰撞過程中,動(dòng)量守恒,以A的初速度方向?yàn)檎较?根據(jù)動(dòng)量守恒定律得mAvA-mBvB=mBvB'-mAvA',代入數(shù)據(jù)解得mA∶mB=3∶5,故A正確,B、C、D錯(cuò)誤。3.(多選)質(zhì)量為1kg的小球以4m/s的速度與質(zhì)量為2kg的靜止小球正碰,關(guān)于碰后的速度v1'和v2',下面可能正確的有(

)B.v1'=3m/s,v2'=0.5m/sC.v1'=1m/s,v2'=3m/sD.v1'=-1m/s,v2'=2.5m/s答案:AD解析:由碰撞前后總動(dòng)量守恒m1v1=m1v1'+m2v2'和能量不增加Ek≥Ek1'+Ek2',驗(yàn)證選項(xiàng)A、B、D皆有可能。但選項(xiàng)B碰后后面小球的速度大于前面小球的速度,不符合實(shí)際,所以選項(xiàng)A、D有可能。合作探究釋疑解惑知識(shí)點(diǎn)一碰撞的類型及特點(diǎn)問題引領(lǐng)如圖所示,物體A和B放在光滑的水平面上,A、B之間用一輕繩連接,開始時(shí)繩是松弛的,現(xiàn)突然給A以水平向右的初速度v0。(作用過程繩未斷)(1)物體A和B組成的系統(tǒng)動(dòng)量是否守恒?機(jī)械能是否守恒?(2)上述物體A和B之間的作用過程可以視為哪一類碰撞?提示:(1)動(dòng)量守恒,機(jī)械能不守恒。(2)完全非彈性碰撞。歸納提升1.碰撞的特點(diǎn)(1)時(shí)間特點(diǎn):碰撞現(xiàn)象中,相互作用的時(shí)間極短,相對(duì)物體運(yùn)動(dòng)的全過程可忽略不計(jì)。(2)相互作用力特點(diǎn):在碰撞過程中,系統(tǒng)的內(nèi)力遠(yuǎn)大于外力,所以碰撞過程動(dòng)量守恒。(3)位移特點(diǎn):在碰撞過程中,由于在極短的時(shí)間內(nèi)物體的速度發(fā)生突變,物體發(fā)生的位移極小,可認(rèn)為碰撞前后物體處于同一位置。2.碰撞的分類(1)彈性碰撞:系統(tǒng)動(dòng)量守恒、機(jī)械能守恒。m1v1+m2v2=m1v1'+m2v2'(2)非彈性碰撞:系統(tǒng)動(dòng)量守恒,機(jī)械能減少,損失的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能,ΔE=Ek初總-Ek末總=Q。(3)完全非彈性碰撞:系統(tǒng)動(dòng)量守恒,碰撞后合為一體或具有相同的速度,機(jī)械能損失最大。設(shè)兩者碰后的共同速度為v共,則有m1v1+m2v2=(m1+m2)v共(1)當(dāng)遇到兩物體發(fā)生碰撞的問題時(shí),不管碰撞環(huán)境如何,要首先想到利用動(dòng)量守恒定律。(2)對(duì)心碰撞是同一直線上的運(yùn)動(dòng)過程,只在一個(gè)方向上列動(dòng)量守恒方程即可,此時(shí)應(yīng)注意速度正、負(fù)號(hào)的選取。典型例題【例題1】

如圖所示,在冰壺世錦賽上中國隊(duì)以8∶6戰(zhàn)勝瑞典隊(duì),收獲了第一個(gè)世錦賽冠軍,運(yùn)動(dòng)員在最后一投中,將質(zhì)量為19kg的冰壺推出,冰壺運(yùn)動(dòng)一段時(shí)間后以0.4m/s的速度正碰靜止的瑞典冰壺,然后中國隊(duì)冰壺以0.1m/s的速度繼續(xù)向前滑向大本營中心。若兩冰壺質(zhì)量相等,則下列判斷正確的是(

)A.瑞典隊(duì)冰壺的速度為0.3m/s,兩冰壺之間的碰撞是彈性碰撞B.瑞典隊(duì)冰壺的速度為0.3m/s,兩冰壺之間的碰撞是非彈性碰撞C.瑞典隊(duì)冰壺的速度為0.5m/s,兩冰壺之間的碰撞是彈性碰撞D.瑞典隊(duì)冰壺的速度為0.5m/s,兩冰壺之間的碰撞是非彈性碰撞答案:B解析:兩冰壺碰撞的過程中動(dòng)量守恒,規(guī)定向前運(yùn)動(dòng)方向?yàn)檎较?根據(jù)動(dòng)量守恒定律有mv1=mv2+mv3代入數(shù)據(jù)得m×0.4

m/s=m×0.1

m/s+mv3解得v3=0.3

m/s。(0.3

m/s)2]>0故動(dòng)能減小,是非彈性碰撞,由此可知B項(xiàng)正確。我們?cè)诜治鼋獯鸫祟悊栴}時(shí)要注意從動(dòng)量與能量兩個(gè)方面去分析是彈性碰撞還是非彈性碰撞,彈性碰撞動(dòng)量守恒、機(jī)械能守恒,而非彈性碰撞動(dòng)量守恒、機(jī)械能減少?！咀兪接?xùn)練1】

如圖所示,在光滑的水平面上有一質(zhì)量為0.2kg的小球以5.0m/s的速度向前運(yùn)動(dòng),與質(zhì)量為3.0kg的靜止木塊發(fā)生碰撞,假設(shè)碰撞后木塊的速度是v木=1m/s,則(

)A.v木=1m/s這一假設(shè)是合理的,碰撞后球的速度為v球=-10m/sB.v木=1m/s這一假設(shè)是不合理的,因而這種情況不可能發(fā)生C.v木=1m/s這一假設(shè)是合理的,碰撞后小球被彈回來D.v木=1m/s這一假設(shè)是可能發(fā)生的,但由于題給條件不足,v球的大小不能確定答案:B解析:假設(shè)這一過程可以實(shí)現(xiàn),根據(jù)動(dòng)量守恒定律得m1v=m1v1+m2v木,代入數(shù)據(jù)解得v1=-10

m/s,這一過程不可能發(fā)生,因?yàn)榕鲎埠蟮臋C(jī)械能增加了,由此可知B項(xiàng)正確。知識(shí)點(diǎn)二碰撞問題中遵循的規(guī)律問題引領(lǐng)如圖所示,光滑水平面上并排靜止著小球2、3、4,小球1以速度v0射來,已知四個(gè)小球完全相同,小球間發(fā)生彈性碰撞,則碰撞后各小球的運(yùn)動(dòng)情況如何?提示:小球1與小球2碰撞后交換速度,小球2與小球3碰撞后交換速度,小球3與小球4碰撞后交換速度,最終小球1、2、3靜止,小球4以速度v0運(yùn)動(dòng)。歸納提升碰撞問題遵循的三個(gè)原則(1)系統(tǒng)動(dòng)量守恒,即p1+p2=p1'+p2'。(3)速度要合理:①碰前兩物體同向,則v后>v前,碰后,原來在前面的物體速度一定增大,且v前'≥v后'。②兩物體相向運(yùn)動(dòng),碰后兩物體的運(yùn)動(dòng)方向不可能都不改變。宏觀物體碰撞時(shí)一般相互接觸,微觀粒子碰撞時(shí)不一定接觸,但只要符合碰撞的特點(diǎn),就可認(rèn)為是發(fā)生了碰撞,可以用動(dòng)量守恒的規(guī)律分析求解?！纠}2】

如圖所示,在光滑水平面上A、B兩小球沿同一方向運(yùn)動(dòng),A球的動(dòng)量pA=4kg·m/s,B球的質(zhì)量mB=1kg、速度vB=6m/s,已知兩球相碰后,A球的動(dòng)量減為原來的一半,方向與原方向一致。求:(1)碰撞后B球的速度;(2)A球的質(zhì)量范圍。答案:(1)8m/s典型例題解析:(1)由題意知pA'=2

kg·m/s根據(jù)動(dòng)量守恒定律有pA+mBvB=pA'+mBvB'解得vB'=8

m/s。處理碰撞問題的思路(1)對(duì)一個(gè)給定的碰撞,首先要看動(dòng)量是否守恒,其次要看總機(jī)械能是否增加。(2)注意碰后的速度關(guān)系?！咀兪接?xùn)練2】

在一根足夠長的水平桿上穿著4個(gè)質(zhì)量相同的珠子,珠子可以在水平桿上無摩擦地運(yùn)動(dòng)。初始時(shí)若各個(gè)珠子可以有任意的速度大小和方向,則它們之間最多可以碰撞(

)A.3次

B.5次

C.6次

D.8次答案:C解析:若珠子之間的碰撞是完全非彈性碰撞,每碰撞一次,運(yùn)動(dòng)的個(gè)體就減小一個(gè),所以最多碰撞4次;若是彈性碰撞,則碰撞一次,珠子將交換速度,最終應(yīng)該是外面的珠子速度大,里面的珠子速度小。初始狀態(tài)時(shí),若外面的珠子速度大,里面的珠子速度小,且外面的珠子在向里運(yùn)動(dòng)時(shí),它們發(fā)生碰撞的次數(shù)最多。如圖所示,它們的速率關(guān)系為v1>v4>v2>v3。珠子1的速度傳遞給珠子4,需要3次碰撞,珠子2的速度傳遞到珠子4,需要2次碰撞,珠子3的速度傳給珠子4,需要1次碰撞,所以它們之間最多可以碰撞3+2+1=6次,C項(xiàng)正確?！咀兪接?xùn)練3】

(多選)質(zhì)量相等的A、B兩球在光滑水平面上沿同一直線、同一方向運(yùn)動(dòng),A球的動(dòng)量pA=9kg·m/s,B球的動(dòng)量pB=3kg·m/s,當(dāng)A追上B時(shí)發(fā)生碰撞,則碰后A、B兩球的動(dòng)量可能值是(

)A.pA'=6kg·m/s,pB'=6kg·m/sB.pA'=6kg·m/s,pB'=4kg·m/sC.pA'=-6kg·m/s,pB'=18kg·m/sD.pA'=4kg·m/s,pB'=8kg·m/s答案:AD解析:設(shè)兩球質(zhì)量為m,碰前總動(dòng)量p=pA+pB=12

kg·m/s,碰前總動(dòng)能若pA'=6

kg·m/s,pB'=4

kg·m/s,碰后p'=pA'+pB'≠p,故不可能,B錯(cuò)誤。若pA'=-6

kg·m/s,pB'=18

kg·m/s,知識(shí)點(diǎn)三爆炸與碰撞的比較問題引領(lǐng)如圖所示,空中飛行的一枚炮彈,不計(jì)空氣阻力,當(dāng)此炮彈的速度恰好沿水平方向時(shí),炮彈炸裂成A、B兩塊,其中質(zhì)量較大的A塊的速度方向與v0方向相同。(1)在炸裂過程中,A、B所受的爆炸力大小相等嗎?系統(tǒng)動(dòng)量可以認(rèn)為滿足動(dòng)量守恒定律嗎?(2)爆炸時(shí)系統(tǒng)動(dòng)能的變化規(guī)律與碰撞時(shí)系統(tǒng)動(dòng)能的變化規(guī)律相同嗎?提示:(1)A、B所受的爆炸力大小相等?？梢哉J(rèn)為系統(tǒng)動(dòng)量守恒。(2)不同。碰撞時(shí)動(dòng)能要么守恒,要么有損失,而爆炸時(shí),有其他形式的能轉(zhuǎn)化為系統(tǒng)的機(jī)械能,系統(tǒng)的動(dòng)能要增加。歸納提升1.爆炸與碰撞的對(duì)比

比較項(xiàng)爆炸碰撞相同點(diǎn)過程特點(diǎn)都是物體間的相互作用突然發(fā)生,相互作用的力為變力,作用時(shí)間很短,平均作用力很大,且遠(yuǎn)大于系統(tǒng)所受的外力,所以可以認(rèn)為碰撞、爆炸過程中系統(tǒng)的總動(dòng)量守恒過程模型由于碰撞、爆炸過程相互作用的時(shí)間很短,作用過程中物體的位移很小,一般可忽略不計(jì),因此可以把作用過程看作一個(gè)理想化過程來處理,即作用后物體仍從作用前瞬間的位置以新的動(dòng)量開始能量情況都滿足能量守恒,總能量保持不變不同點(diǎn)動(dòng)能情況有其他形式的能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能,動(dòng)能會(huì)增加彈性碰撞時(shí)動(dòng)能不變,非彈性碰撞時(shí)動(dòng)能要損失,動(dòng)能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能,動(dòng)能減少2.三類“碰撞”模型(1)子彈打擊木塊模型如圖(a)所示,質(zhì)量為m的子彈以速度v0射中放在光滑水平面上的木塊B,當(dāng)子彈相對(duì)于木塊靜止不動(dòng)時(shí),子彈射入木塊的深度最大,二者速度相等,此過程系統(tǒng)動(dòng)量守恒,動(dòng)能減少,減少的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能。(a)(2)連接體模型如圖(b)所示,光滑水平面上的A物體以速度v0去撞擊靜止的B物體,A、B兩物體相距最近時(shí),兩物體速度相等,此時(shí)彈簧最短,其壓縮量最大。此過程系統(tǒng)的動(dòng)量守恒,動(dòng)能減少,減少的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為彈簧的彈性勢(shì)能。(b)(3)板塊模型如圖(c)所示,物塊A以速度v0在光滑的水平面上的木板B上滑行,當(dāng)A在B上滑行的距離最遠(yuǎn)時(shí),A、B相對(duì)靜止,A、B的速度相等。此過程中,系統(tǒng)的動(dòng)量守恒,動(dòng)能減少,減少的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能。(c)典型例題【例題3】

以初速度v0與水平方向成60°角斜向上拋出的手榴彈,到達(dá)最高點(diǎn)時(shí)炸成質(zhì)量分別是m和2m的兩塊。其中質(zhì)量大的一塊沿著原來的方向以2v0的速度飛行。(1)求質(zhì)量較小的一塊彈片速度的大小和方向。(2)爆炸過程中有多少化學(xué)能轉(zhuǎn)化為彈片的動(dòng)能?答案:(1)2.5v0,方向與爆炸前速度方向相反

解析:(1)斜向上拋出的手榴彈在水平方向上做勻速直線運(yùn)動(dòng),在最高點(diǎn)處爆炸前的速度設(shè)v1的方向?yàn)檎较?如圖所示。由動(dòng)量守恒定律得,3mv1=2mv1'+mv2其中爆炸后大塊彈片速度v1'=2v0解得v2=-2.5v0,“-”表示v2的方向與爆炸前速度方向相反。(2)爆炸過程中轉(zhuǎn)化為動(dòng)能的化學(xué)能等于系統(tǒng)動(dòng)能的增量,即處理爆炸問題的兩點(diǎn)提醒(1)在處理爆炸問題,列動(dòng)量守恒方程時(shí)應(yīng)注意:爆炸前的動(dòng)量是指即將爆炸那一刻的動(dòng)量,爆炸后的動(dòng)量是指爆炸剛好結(jié)束時(shí)那一刻的動(dòng)量。(2)在爆炸過程中,系統(tǒng)的動(dòng)量守恒,機(jī)械能一定不守恒。在碰撞過程中,系統(tǒng)的動(dòng)量守恒,但機(jī)械能不一定守恒?！咀兪接?xùn)練4】

一彈丸在飛行到距離地面5m高時(shí)僅有水平速度v0=2m/s,爆炸成為甲、乙兩塊水平飛出,甲、乙的質(zhì)量比為3∶1,不計(jì)質(zhì)量損失,重力加速度g取10m/s2,則下列圖中兩塊彈片飛行的軌跡可能正確的是(

)答案:B課堂小結(jié)隨堂練習(xí)1.(碰撞問題的理解)在光滑水平面上相向運(yùn)動(dòng)的A、B兩小球發(fā)生正碰后一起沿A原來的速度方向運(yùn)動(dòng),這說明原來(

)A.A球的質(zhì)量一定大于B球的質(zhì)量B.A球的速度一定大于B球的速度C.A球的動(dòng)量一定大于B球的動(dòng)量D.A球的動(dòng)能一定大于B球的動(dòng)能答案:C解析:在碰撞過程中,A、B兩小球組成的系統(tǒng)動(dòng)量守恒。碰撞后兩球一起沿A原來的速度方向運(yùn)動(dòng),說明系統(tǒng)的總動(dòng)量沿A原來的速度方向,由動(dòng)量守恒定律可知,碰撞前A的動(dòng)量一定大于B的動(dòng)量。由p=mv知,由于不知道兩球的速度關(guān)系,所以無法判斷兩球的質(zhì)量關(guān)系,也不能判斷動(dòng)能關(guān)系,故A、B、D錯(cuò)誤,C正確。2.(碰撞問題遵循的規(guī)律)(多選)如圖所示,質(zhì)量相等的A、B兩個(gè)球,原來在光滑水平面上沿同一直線相向做勻速直線運(yùn)動(dòng),A球的速度是6m/s,B球的速度是-2m/s,不久A、