- 动量守恒定律
- 共6910题
在光滑的水平面上,甲乙两物体的质量分别为m1、m2,它们分别沿东西方向的一直线相向运动,其中甲物体速度大小为6m/s,乙物体速度大小为2m/s.碰撞后两物体都沿各自原方向的反方向运动,速度的大小都是4m/s.求:甲乙两物体的质量之比.
正确答案
由动量守恒定律得,m1v1-m2v2=m2v2′-m1v1′
v2′=v1′
解得=
.
答:甲乙两物体的质量之比为3:5.
如图所示,将两条完全相同的磁铁(磁性极强)分别固定在质量相等的小车上,水平面光滑.开始时甲车速度大小为3m/s,乙车速度大小为2m/s,方向相反并同在一条直线上.
(1)当乙车的速度为零时,甲车的速度是多少?方向如何?
(2)由于磁铁磁性极强,故两车不会相碰,试求出两车距离最短时乙车速度为多少?方向如何?
正确答案
(1)以两车组成的系统为研究对象,取甲车原来行驶的速度方向为正方向,根据动量守恒定律有
mv甲-mv乙=mv甲′
解得,v甲′=1m/s,方向水平向右.
(2)当两车的速度相同时,距离最短,设相同的速度为v
则有
mv甲-mv乙=2mv
解得 v=0.5m/s,方向水平向右.
答:(1)当乙车的速度为零时,甲车的速度大小是1m/s,方向水平向右.
(2)两车距离最短时乙车速度大小是0.5m/s,方向水平向右.
1930年发现,在真空条件下用α粒子轰击94Be时,会产生一种贯穿能力强且不带电、质量与质子很接近的粒子和另一种原子核.
(1)写出这个过程的核反应方程.
(2)若一个这种粒子以初速度为v0与一个静止的12C核发生碰撞,但没有发生核反应,该粒子碰后的速率为v1,运动方向与原来运动方向相反,求12C核与该粒子碰撞后的速率.
正确答案
(1)根据电荷数守恒、质量数守恒得,Be+
He→
n+
C
(2)设12C碰后速度的u2,根据动量守恒定律有:
mu0=m(-u1)+12mu
V2=.
答:(1)核反应方程为Be+
He→
n+
C.
(2)12C核与该粒子碰撞后的速率为V2=.
两个小球A和B用轻弹簧相连,在光滑的水平直轨道上处于静止状态.在它们左边有一垂直于轨道的固定挡板P,右边有一小球C沿轨道以速度v0射向B球,如图所示,C与B发生碰撞并立即结成一个整体D.在它们继续向左运动过程中,当弹簧长度变到最短时,长度突然被锁定,不再改变.然后,A球与挡板P发生碰撞,碰后A、D都静止不动,A与P接触而不粘连.过一段时间,突然解除锁定(锁定及解除锁定均无机械能损失).已知A、B、C三球的质量均为m.
(1)求弹簧长度刚被锁定后A球的速度;
(2)求在A球离开挡板P之后的运动过程中,弹簧的最大弹性势能.
正确答案
(1)设C球与B球粘连成D时,D的速度为v1,由动量守恒定律得:mv0=(m+m)v1
v1=v0
当弹簧压缩至最短时,D与A的速度相等,设此速度为v2,
由动量守恒定律得:2mv1=3mv2,
得A的速度v2=v0
(2)设弹簧长度被锁定后,贮存在弹簧中的势能为Ep,
由能量守恒得:•2m
=
•3m
+EP
撞击P后,A与D的动能都为零,
解除锁定后,当弹簧刚恢复自然长度时,势能全部转变成D的动能,
设D的速度为v3,则有:EP=(2m)•
,v3=
v0
以后弹簧伸长,A球离开档板P,并获得速度,当A、D的速度相等时,弹簧伸至最长.
设此时的速度为v4,由动量守恒定律得:2mv3=3mv4,v4=v0
当弹簧伸到最长时,其势能最大,设此势能为,
由能量守恒定律得:•2m
=
•3m
+
由以上各式解得:=
m
答:(1)求弹簧长度刚被锁定后A球的速度是v0;
(2)当弹簧伸到最长时,其势能最大,弹簧的最大弹性势能是=
m
如图所示,在绝缘光滑水平面上,可视为质点的A、B两个带正电的小球相距为r,带电量分别为4q和q.B的质量为m,在库仑力作用下,两球从静止开始运动:起初,A的加速度大小为a、B的加速度大小为4a;经过一段时间后,B的加速度大小为a,速度达到v.试计算这时:
(1)两球间距是多少?
(2)A球的速度是多少?
(3)两电荷的电势能发生了什么变化,变化了多少?
正确答案
(1)以B为研究对象,根据牛顿第二定律和库仑定律
K=4ma,K
=ma,
所以,两球的间距为R=2r.
(2)根据两球受到同样大小的库仑力,有F=mAa=m×4a,可见,A的质量为mA=4m.
以两球组成的系统为研究对象,由动量守恒,又有mv+4mVA=0.
所以,A的速度为vA=-V.
(3)根据电场力做正功,系统的电势能减少,据能量守恒得减少的电势能等于系统增加的动能,
所以△EP=EKA+EKB=×4m
+
mV2=
mV2
答:(1)两球间距是2r.
(2)A球的速度是-V
(3)两电荷的电势能减少mV2
某一核反应的模型中质量为m0、速度为v0的粒子与一个静止的质量为M的原子核碰撞后合为一体,又迅速发生变化而放出质量为m、速度为v的另一个粒子,此粒子的速度v与v0反方向,则余下的反冲核的反冲速度为多少?
正确答案
取碰撞前粒子的速度方向为正方向,设余下的反冲核的反冲速度大小为V,根据动量守恒定律得
m0v0=-mv+(M+m0-m)V
解得,V=
答:余下的反冲核的反冲速度为.
在水平面内的光滑平行导轨MM′、NN′长度为L,它们之间距离也是L,定值电阻R连接MN,导轨平面距地面高为h.在导轨所处空间有以M′N′为边界的竖直向上的匀强磁场.将长度为L,电阻为r的金属棒ab放在导轨M′N′端并使其恰好处在磁场的边界线内,如图甲所示.已知磁场与时间的关系如图乙所示(0<t<t1,B=Bo;t≥t1,B=B0-kt).t1时刻磁场的减弱,使棒ab突然掉落在离轨道末端S远处的地面上.求金属棒抛离磁场瞬间回路的电热功率P.轨道电阻不计,重力加速度为g.
正确答案
设回路电流为i,所求电功率为P=i2(R+r)
由于i=,
式中e=L2=L2k为B变化引起的感应电动势.
BoLv为棒切割磁感线引起的电动势,v=s
则金属棒抛离磁场瞬间回路的电热功率P=.
答:金属棒抛离磁场瞬间回路的电热功率P=.
如图所示,质量均为m大小相同的小球A、B(都可视为质点)静止在光滑水平面内的x轴上,它们的位置坐标分别为x=0和x=l.现沿x轴方向加一个力场,该力场只对小球A产生沿x轴正方向大小为F的恒力,以后两小球发生正碰过程时间很短,不计它们碰撞过程的动能损失.
(1)小球A、B在第一次碰撞后的速度大小各是多少?
(2)如果该力场的空间范围是0≤x≤L(L>l),求满足下列条件的L值
①小球A、B刚好能够发生两次碰撞;
②小球A、B刚好能够发生n次碰撞.
正确答案
(1)A第一次碰前速度设为v0
动能定理:Fl=m
-0
A与B碰撞,动量守恒,
则mv0=mvA′+mvB′
根据题意,总能量不损失,
则mv02=
mvA 2+
mvB 2
联立解得vA′=0,vB′=v0=
(2)①对质点A:
第一次碰前:v0=at0l=at02
第一次碰后到第二次碰前过程:
第二次碰前速度 vA1=at1sA1=at12
对质点B:
第一次碰后到第二次碰前过程:sB1=v0t1
由于sA1=sB2
解得:t1=2t0,vA1=2v0,sA1=sB1=4l
则要使质点A、B刚好能够发生两次碰撞,L=l+4l=5l
②质点A、B第二次碰前速度分别为2v0、v0,碰后速度分别设为v″A和v″B
动量守恒:m•2v0+mv0=mv″A+mv″B
能量关系:m(2v0)2+
m
=
m
+
m
解得:v″A=v0,v″B=2v0
对质点A:
第二次碰后到第三次碰前:vA2=v0+at2sA2=v0t+at22
对质点B:
第二次碰后到第三次碰前:sB2=2v0t2
由于sA2=sB2
解得:t2=2t0,vA2=3v0,sA2=sB2=8l
综上,质点A、B每次碰撞过程总是要交换速度;每次碰撞间隔时间都为2t0;
每次碰撞后的相同时间间隔内,质点A速度增加2v0,质点B速度不变
可得:每次碰撞位置间隔:4l、8l、12l…(n-1)4l
则要使质点A、B刚好能够发生n次碰撞:L=l+4l+8l+12l+…+(n-1)l=(2n2-2n+1)l(n=1,2,3…)
答:(1)小球A、B在第一次碰撞后的速度大小各是vA′=0,vB′=.
(2)如果该力场的空间范围是0≤x≤L(L>l),
①小球A、B刚好能够发生两次碰撞,L=5l;
②小球A、B刚好能够发生n次碰撞L=(2n2-2n+1)l(n=1,2,3…).
[物理选修——3-5](本题有两小题,每小题6分共12分。每小题只有一个选项符合题意。)
(1)已知π+介子、π—介子都是由一个夸克(夸克u或夸克d)和一个反夸克(反夸克
或反夸克
)组成的,它们的带电量如下表所示,表中e为元电荷。
下列说法正确的是_____________。
①π+由u和组成 ②π+由d和
组成
③π—由u和组成 ④π—由d和
组成
(2)A、B两球沿一直线运动并发生正碰,如图所示为两球碰撞前后的位移图象。a、b分别为A、B两球碰前的位移图象,c为碰撞后两球共同运动的位移图象,若A球质量是m=2kg,则由图象判断下列结论不正确的是( )
①A、B 碰撞前的总动量为3kg·m/s
②碰撞时A对B所施冲量为-4N·s
③碰撞前后A的动量变化为4kg·m/s
④碰撞中A、B两球组成的系统动量保持不变
正确答案
(1)①
(2)①
略
选做题(请从A、B和C三小题中选定两小题作答,并在答题卡上把所选题目对应字母后的方框涂满涂黑.如都作答则按A、B两小题评分.)
A.(选修模块3-3)
(1)奥运祥云火炬的燃烧系统由燃气罐(内有液态丙烷)、稳压装置和燃烧器三部分组成,当稳压阀打开以后,燃气以气态形式从气罐里出来,经过稳压阀后进入燃烧室进行燃烧.则以下说法中正确的是______.
A.燃气由液态变为气态的过程中要对外做功
B.燃气由液态变为气态的过程中分子的分子势能减少
C.燃气在燃烧室燃烧的过程中分子的分子势能增加
D.燃气在燃烧后释放在周围环境中的能量很容易被回收再利用
(2)对于一定质量的理想气体,下列说法正确的是______.
A.如果保持气体的体积不变,温度升高,压强减小
B.如果保持气体的体积不变,温度升高,压强增大
C.如果保持气体的温度不变,体积越小,压强越大
D.如果保持气体的压强不变,温度越高,体积越小
(3)某运动员吸一口气,吸进400cm3的空气,据此估算他所吸进的空气分子的总数为______个.已知1mol气体处于标准状态时的体积是22.4L.(结果保留一位有效数字)
B.(选修模块3-4)
(1)在以下各种说法中,正确的是______.
A.四川汶川县发生8.0级强烈地震,地震波是机械波,其中既有横波也有纵波
B.相对论认为,真空中的光速在不同惯性参考系中都是相同的
C.如果测量到来自遥远星系上某些元素发出的光波波长比地球上这些元素静止时发光的波长长,这说明该星系正在远离我们而去
D.照相机镜头采用镀膜技术增加透射光,这是利用了光的衍射原理.
(2)一列横波在x轴上传播,图1甲为t=0时的波动图象,图1乙为介质中质点P的振动图象.该波的波长为______m,频率为______Hz,波速为______m/s,传播方向为______.
(3)如图2所示,一单色光束a,以入射角i=60°从平行玻璃砖上表面O点入射.已知平行玻璃砖厚度为d=10cm,玻璃对该单色光的折射率为n=.则光束从上表面进入玻璃砖的折射角为______,光在玻璃砖中的传播的时间为______.
C.(选修模块3-5)
(1)在光电效应现象中,下列说法中正确的是______.
A.入射光的强度越大,光电子的最大初动能越大
B.光电子的最大初动能随照射光的频率增大而增大
C.对于任何一种金属都存在一个“最大波长”,入射光的波长必须小于此波长,才能产生光电效应
D.对于某种金属,只要入射光的强度足够大,就会发生光电效应
(2)铀(U)经过α、β衰变形成稳定的铅(
U),问在这一变化过程中,共转变为质子的中子数是______个.
(3)在橄榄球比赛中,一个95kg的橄榄球前锋以5m/s的速度跑动,想穿越防守队员到底线触地得分.就在他刚要到底线时,迎面撞上了对方两名均为75kg的队员,一个速度为2m/s,另一个为4m/s,然后他们就扭在了一起.
①他们碰撞后的共同速率是______;
②在图3,右面方框中标出碰撞后他们动量的方向,并说明这名前锋能否得分:______.
正确答案
A、(1):A、燃气由液态变为气态的过程中体积增大,因此对外做功,故A正确;
B、燃气由液态变为气态的过程中分子势能增大,故B错误;
C、燃气在燃烧室燃烧的过程中气体体积变大,要克服分子力做功,分子势能增加,故C正确;
D、燃气在燃烧后释放在周围环境中的能量变为品质低的大气内能,能量耗散了,很难再被利用,故D错误.
故选AC.
(2)A、由=C可知,如果保持气体的体积不变,温度升高,压强增大,故A错误;
B、由=C可知,如果保持气体的体积不变,温度升高,压强增大,故B正确;
C、由=C可知,如果保持气体的温度不变,体积越小,压强越大,故C正确;
D、由=C可知,如果保持气体的压强不变,温度越高,体积越大,故D错误;
故选BC.
(3)他吸入的空气分子总数约为n=NA=
×6.02×1023=1×1022个.
(1)A、四川汶川县发生8.0级强烈地震,地震波是机械波,其中既有横波也有纵波,故A正确;
B、相对论认为,真空中的光速在不同惯性参考系中都是相同的,故B正确;
C、由多普勒效应可知,如果测量到来自遥远星系上某些元素发出的光波波长比地球上这些元素静止时发光的波长长,这说明该星系正在远离我们而去,故C正确;
D、照相机镜头采用镀膜技术增加透射光,这是利用了光的干涉原理,故D错误;
故选ABC.
(2)由图1甲可知,波长λ=100cm=1m;由图1乙可知,质点的振动周期为2s,则波的周期为2s,频率f==
=0.5Hz;波速v=λf=1m×0.5Hz=0.5m/s;由图1乙可知,在图示时刻质点P由平衡位置向最大位移处振动,由微平移法可知,波沿想轴负方向传播.
(3)由光的折射定律得:n=,sinβ=
=
=
,则折射角β=30°;由数学知识可知,
光在玻璃砖中的路程s==
=
cm,光在玻璃砖中的传播速度v=
,
光在玻璃砖中的传播时间t==
=
=
≈6.67×10-10s.
C、(1)A、发生光电效应时,光电子的最大初动能取决于入射光的频率,与入射光的强度无关.故A错误.
B、根据光电效应方程EKm=hγ-W0,可知光电子的最大初动能随照射光的频率增大而增大,故B正确.
C、入射光的频率大于极限频率时,发生光电效应,因为极限波长λ0=,所以入射光的波长必须小于此波长,才能产生光电效应.故C正确.
D、光电效应与入射光的强度无关,取决于入射光的频率,故D错误.
故选BC.
(2)关键质量数守恒和电荷数守恒知U衰变
Pb为,需经过 8 次α衰变和 6次β衰变,每经过一次β衰变就会有一个中子转变为质子,同时放出一个电子
,所以共有6个中子转化为质子.
(3)以前锋速度方向为正方向,设撞后共同速度为v,碰撞过程动量守恒,
根据动量守恒定律得:m1v1-m2v2-m3v3=(m1+m2+m3)v,
解得:v==
=0.1m/s;
所以他们碰撞后的共同速率为0.1m/s,方向与前锋方向相同,所以可以得分,如图所示.
故答案为:A、(1)AC;(2)BC;(3)1×1022;B、(1)ABC;(2)1;0.5;0.5;沿x轴向左;(3)30°;6.67×10-10s;
C、(1)BC;(2)6;(3)①0.1m/s;②方向见右图;能得分.
如图所示,在一光滑的水平面上有两块高度相同的木板B和C,C的右端固定一轻质弹簧,重物A(视为质点)位于B的右端.A、B、C的质量均为m.现A和B以同一速度v0滑向静止的C,B和C发生正碰.碰后B和C粘在一起运动,A在C上滑行,与弹簧相碰后返回,恰好停在木板C的左端.试求:
(1)A停在木板C的左端后A、B、C共同运动的速度v;
(2)整个过程中系统克服摩擦力做功而产生的内能W;
(3)若重物A与木板C间的动摩擦因数为μ,求重物A对木板C相对位移的最大值sm及系统的最大弹性势能Epm.
正确答案
(1)A、B、C三个物体组成的系统动量守恒,设达到的共同运动速度为v,则:
2mv0=3mv
解得:v=v0
(2)B和C发生正碰,B和C组成的系统在碰撞前后动量守恒,设B和C粘在一起运动的速度为v1,则:
mv0=2mv1
解得:v1=v0
设整个过程系统克服摩擦力做功而产生的内能为W,则:
W=m
+
2m
-
3mv2=
m
(3)重物从左向右相对木板C的位移由零到最大过程中,克服摩擦力做功而产生的内能为全程产生内能W的一半.
设相对位移的最大值为sm,则:fsm=W
而:f=μmg
故:sm==
弹簧压缩到最短时,弹簧的弹性势能(即系统的弹性势能)为最大值Epm,此时三者速度相同,也为v=v0,由能量守恒定律得:
EPm=m
+
2m
-
3mv2-
W=
m
答:(1)A停在木板C的左端后A、B、C共同运动的速度v=v0;
(2)整个过程中系统克服摩擦力做功而产生的内能W=m
;
(3)若重物A与木板C间的动摩擦因数为μ,求重物A对木板C相对位移的最大值sm及系统的最大弹性势能为m
.
光滑水平面上一平板车质量为M=50kg,上面站着质量m=70kg的人,共同以速度v0匀速前进,若人相对车以速度v=2m/s向后跑,问人跑动后车的速度改变了多少?
正确答案
以人和车组成的系统为研究对象.选v0方向为正方向.设人跑动后车的速度变为v’,则人
相对地的速度为(v’-v).系统所受合外力为零,根据动量守恒定律有
解得
人跑动后车的速度改变量为
的数值为正,说明速度的改变与v0方向一致,车速增加
如图所示,滑块A的质量m=0.01kg,与水平地面间的动摩擦因数μ=0.2,用细线悬挂的小球质量均为m=0.01kg,沿x轴排列,A与第1只小球及相邻两小球间距离均为s=2m,线长分别为L1、L2、L3……(图中只画出三只小球,且小球可视为质点),开始时,滑块以速度v0=10m/s沿x轴正方向运动,设滑块与小球碰撞时不损失机械能,碰撞后小球均恰能在竖直平面内完成完整的圆周运动并再次与滑块正碰,重力加速度g=10m/s2.试求:
(1)滑块能与几个小球碰撞?
(2)碰撞中第n个小球悬线长Ln的表达式;
(3)滑块与第一个小球碰撞后瞬间,悬线对小球的拉力.
正确答案
(1)12;(2);(3)0.6N
(1)因滑块与小球质量相等且碰撞中机械能守恒,滑块与小球相碰撞会互换速度,
小球在竖直平面内做圆周运动,机械能守恒,设滑块滑行总距离为,有
,解得
,则
(个)
(2)滑块与第n个小球碰撞,设小球运动到最高点时速度为
对小球,有 ①
②
对滑块,有 ③
由①②③三式解得
(3)滑块做匀减速运动到第一个小球处与第一个小球碰前的速度为,则
由于滑块与小球碰撞时不损失机械能,则碰撞前后动量守恒、动能相等,滑块与小球相碰撞会互换速度,碰撞后瞬间小球的速度仍为,此时小球受重力和绳子的拉力作用,由牛顿第二定律,得
因为,由以上三式解得T=0.6N
(选修模块3-5)
(1)下列说法中正确的是______
A.β衰变现象说明电子是原子核的组成部分
B.目前已建成的核电站的能量来自于重核裂变
C.一个氢原子从n=3的激发态跃迁到基态时,最多能辐射3种不同频率的光子
D.卢瑟福依据极少数α粒子发生大角度散射提出了原子核式结构模型
(2)光照射到金属上时,一个光子只能将其全部能量传递给一个电子,一个电子一次只能获取一个光子的能量,成为光电子,因此极限频率是由______(金属/照射光)决定的.如图1所示,当用光照射光电管时,毫安表的指针发生偏转,若再将滑动变阻器的滑片P向右移动,毫安表的读数不可能______(变大/变小/不变).
(3)如图2,总质量为M的火箭被飞机释放时的速度为υ0,方向水平.释放后火箭立即向后以相对于地面的速率u喷出质量为m的燃气,火箭相对于地面的速度变为多大?
正确答案
(1)A、β衰变放出的电子是原子核中中子转化而来的,原子核中并没有电子,所以β衰变不能说明电子是原子核的组成部分.故A错误.
B、目前已建成的核电站的能量来自于重核裂变.故B正确.
C、一个氢原子从n=3的激发态跃迁到基态时,由于跃迁是随机的,最多能辐射C=6种不同频率的光子.故C错误.
D、卢瑟福依据极少数α粒子发生大角度散射提出了原子核式结构模型.故D正确.
故选BD
(2)根据动量守恒定律得 Mv0=-mu+(M-m)v,解得,v=.
故答案:
(1)BD
(2)金属,变小
(3)
如图所示,有A、B两质量均为M的小车,在光滑水平面上以相同的速率v0在同一直线上相对运动,A车上有一质量为m的人至少要以多大的速度(对地)从A车跳到B车上,才能避免两车的相撞?
正确答案
速度v最小的条件是:人跳上A车稳定后两车的速度相等,以A车和人组成的系统为研究对象,以A车的初速度方向为正方向,由动量守恒定律得:
(M+m)v0=Mv车+mv,
以B车与人组成的系统为研究对象,以人的速度方向为正方向,由动量守恒定律得:
-Mv0+mv=(M+m)v车,
解得:v=(1+)v0;
答:人至少要以(1+)v0的速度(对地)从A车跳到B车上,才能避免两车的相撞.
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