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物理选择性必修 第一册第4节 弹性碰撞与非弹性碰撞教课ppt课件
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这是一份物理选择性必修 第一册第4节 弹性碰撞与非弹性碰撞教课ppt课件，共43页。PPT课件主要包含了目录索引等内容，欢迎下载使用。
基础落实·必备知识全过关
重难探究·能力素养全提升
学以致用·随堂检测全达标
1.知道非弹性碰撞、完全非弹性碰撞和弹性碰撞的概念和特点。(物理观念)2.掌握弹性碰撞的规律,能根据弹性碰撞的规律解释判断有关现象,并解决有关的问题。(科学思维)3.会应用动量、能量的观点分析、解决一维碰撞问题。(科学思维)
一、不同类型的碰撞1.弹性碰撞碰撞前后系统的总动能 的碰撞称为弹性碰撞。通常,分子、原子以及更小的粒子间的碰撞、生活中台球间的碰撞可视为弹性碰撞。 2.非弹性碰撞碰撞过程中机械能有 的碰撞称为非弹性碰撞。 3.完全非弹性碰撞如果碰撞后物体 ,系统的动能损失 ,这种碰撞称为完全非弹性碰撞。
二、弹性碰撞1.实验与探究(1)质量相等的两个钢球碰撞时,碰撞后两球交换了 ,可知碰撞前后两球的总动能相等。 (2)质量较大的钢球与静止的质量较小的钢球碰撞时,碰后两球运动方向 。 (3)质量较小的钢球与静止的质量较大的钢球碰撞时,碰后质量较小钢球速度方向与原来的速度方向 。
2.弹性碰撞的规律设质量为m1的小球以速度v1与质量为m2的静止的小球发生弹性碰撞,碰后m1、m2的速度分别为v1'和v2',碰撞过程中动量守恒和动能守恒,有m1v1= ① = ② 以上两式联立可解得v1'= ,v2'= ,
m1v1'+m2v2'
由以上两式对弹性碰撞实验研究结论的解释:(1)当m1=m2时,v1'= ,v2'= ,表示碰撞后两球交换速度。 (2)当m1>m2时,v1' 0,v2' 0,表示碰撞后两球向前运动。 若m1≫m2,则v1'=v1,v2'= 。表明m1的速度不变,m2以 的速度被撞出去。 (3)当m1
动量守恒定律是自然界普遍适用的规律之一。不仅低速、宏观物体的运动遵循这一规律,而且高速、微观物体的运动也遵循这一规律。
即学即用练一练如图所示,A、B、C、D、E、F六个小球并排放置在光滑的水平面上,B、C、D、E四个小球质量相等,而F小球质量小于B小球质量。A小球的质量等于F小球的质量,A小球以速度v0向B小球运动,所产生的碰撞均为弹性碰撞,则碰撞之后( )A.5个小球静止,1个小球运动B.4个小球静止,2个小球运动C.3个小球静止,3个小球运动D.6个小球都运动
解析 A小球与B小球相碰时,由于A小球的质量小于B小球的质量,A小球弹回,B小球获得速度与C小球碰撞,由于发生的碰撞为弹性碰撞且质量相等,B小球静止,C小球获得速度,同理,C小球与D小球的碰撞,D小球与E小球的碰撞都是如此,E小球获得速度后与F小球的碰撞过程中,由于E小球的质量大于F小球的质量,所以E小球、F小球碰后都向前运动,所以碰撞之后,A、E、F三小球运动,B、C、D三小球静止,选项C正确。
探究一 对碰撞问题的认识和理解
下图为一种游戏器具——超级碰撞球。多颗篮球般大小的钢球用钢缆悬挂在屋顶。拉开最右边钢球到某一高度,然后释放,碰撞后,仅最左边的球被弹起,摆至最大高度后落下来再次碰撞,致使最右边钢球又被弹起。上述现象如何解释?
要点提示 质量相等的两物体发生弹性正碰,碰撞中的动量、动能都守恒,碰后二者交换速度。
1.对碰撞的广义理解物理学里所研究的碰撞,包括的范围很广,只要通过短时间作用,物体的动量发生了明显的变化,都可视为碰撞。例如:两个小球的撞击,子弹射入木块,系在绳子两端的物体将松弛的绳子突然拉直,铁锤打击钉子,列车车厢的挂接,中子轰击原子核等均可视为碰撞问题。需注意的是必须将发生碰撞的双方(如两小球、子弹和木块、铁锤和钉子、中子和原子核等)包括在同一个系统中,才能对该系统应用动量守恒定律。
2.碰撞过程的五个特点(1)时间特点:在碰撞现象中,相互作用的时间很短。(2)相互作用力的特点:在相互作用过程中,相互作用力先是急剧增大,然后急剧减小,平均作用力很大。(3)动量的特点:系统的内力远远大于外力,所以系统即使所受合外力不为零,外力也可以忽略,系统的总动量守恒。(4)位移特点:碰撞过程时间极短,在物体发生碰撞瞬间,可忽略物体的位移,认为物体在碰撞前后仍在原位置。(5)能量特点:碰撞前总动能Ek与碰撞后总动能Ek'满足Ek≥Ek'。
3.碰撞的规律(1)碰撞的种类及遵从的规律
(2)特殊的弹性碰撞——运动物体碰静止物体
例题1 质量相等的A、B两球在光滑水平面上沿同一直线、同一方向运动,A球的动量是7 kg·m/s,B球的动量是5 kg·m/s,当A球追上B球发生碰撞,则碰撞后A、B两球的动量可能值是( )A.pA'=6 kg·m/s,pB'=6 kg·m/sB.pA'=3 kg·m/s,pB'=9 kg·m/sC.pA'=-2 kg·m/s,pB'=14 kg·m/sD.pA'=-4 kg·m/s,pB'=17 kg·m/s
解析 A、B球碰撞遵从动量守恒,有pA+pB=pA'+pB',选项D中数据不满足该方程,因而选项D错误;A、B球碰撞遵从能量守恒,碰前的总动能应不小于碰后总动能,即 ,mA=mB,选项A、B、C中数据只有A选项符合上式,选项A正确。
规律方法 1.碰撞现象同时遵守的三条原则(1)动量守恒:即p1+p2=p1'+p2'。(3)碰前、碰后的速度要符合实际的运动情境:①如果碰撞前两物体同向运动,则后面物体的速度必大于前面物体的速度,否则无法实现碰撞。碰撞后,原来在前的物体的速度一定增大,且原来在前的物体速度大于或等于原来在后的物体的速度,否则碰撞没有结束。②如果碰撞前两物体是相向运动,则碰后两物体的运动方向不可能都不改变(至少有一个物体的速度方向改变),除非两物体碰撞后速度均为零。
2.追碰现象合理性分析判断流程
针对训练1如图所示,两个小球A、B在光滑水平地面上相向运动,它们的质量mA=4 kg、mB=2 kg,速度vA=3 m/s(设为正方向)、vB=-3 m/s。则它们发生正碰后,速度的可能值分别为( )A.vA'=1 m/s,vB'=1 m/sB.vA'=4 m/s,vB'=-5 m/sC.vA'=2 m/s,vB'=-1 m/sD.vA'=-1 m/s,vB'=-5 m/s
解析 两球相碰过程遵从动量守恒,有mAvA+mBvB=mAvA'+mBvB',选项D中数据不满足该方程,选项D错误;选项B、C表明,两球碰后速度方向分别与各自碰前速度方向相同,仍处于碰撞过程,因而错误。故选A。
例题2 如图所示,光滑水平直轨道上两滑块A、B用橡皮筋连接,A的质量为m。开始时橡皮筋松弛,B静止,给A向左的初速度v0。一段时间后,B与A同向运动发生碰撞并粘在一起。碰撞后的共同速度是碰撞前瞬间A的速度的2倍,也是碰撞前瞬间B的速度的一半。求:
(1)B的质量;(2)碰撞过程中A、B系统机械能的损失。
解析 (1)以初速度v0的方向为正方向,设B的质量为mB,A、B碰撞后的共同速度为v,由题意知,碰撞前瞬间A的速度为 ,碰撞前瞬间B的速度为2v,由动量守恒定律得m +2mBv=(m+mB)v解得mB= 。(2)从开始到碰后的全过程,由动量守恒定律得mv0=(m+mB)v设碰撞过程A、B系统机械能的损失为ΔE,则
规律方法 处理碰撞问题的几个关键点(1)选取动量守恒的系统:有三个或更多个物体参与碰撞时,要合理选取所研究的系统。(2)明确碰撞的类型:弹性碰撞、完全非弹性碰撞还是其他非弹性碰撞。(3)明确碰撞过程中存在的关系:能量转化关系、几何关系、速度关系等。
针对训练2(多选)在光滑水平面上,一质量为m、速度大小为v的A球与质量为2m静止的B球发生正碰,碰撞可能是弹性的,也可能是非弹性的,则碰后B球的速度大小可能是( )
探究二 爆炸和碰撞问题的比较
汽车在公路上行驶时,驾驶员一定要系上安全带,你知道安全带有什么用途吗?
要点提示 汽车安全带在碰撞时对驾驶员进行约束,避免碰撞时驾驶员与方向盘及仪表盘等发生二次碰撞,或避免碰撞时驾驶员冲出车外。
闪光语录 (1)在碰撞过程中,系统的动量守恒,但机械能不一定守恒。(2)在爆炸过程中,系统的动量守恒,机械能一定不守恒。(3)宏观物体碰撞时一般相互接触,微观粒子的碰撞不一定接触,但只要符合碰撞的特点,就可认为是发生了碰撞。
例题3 一辆质量m1=3.0×103 kg 的小货车因故障停在车道上,后面一辆质量m2=1.5×103 kg 的轿车来不及刹车,直接撞入货车尾部失去动力。相撞后两车一起沿轿车运动方向滑行了x=6.75 m停下。已知车轮与路面的动摩擦因数μ=0.6,求碰撞前轿车的速度大小。(重力加速度g取10 m/s2)
针对训练3(2023湖南常德高二模拟)地空导弹又称防空导弹,是指从地面发射攻击空中目标的导弹。如图所示,某次导弹试射中,质量为M的地空导弹斜射向天空,运动到空中最高点时速度为v0,突然炸成两块,质量为m的弹头以速度v沿v0的方向飞去,爆炸过程时间极短,为Δt。整个过程忽略空气阻力,则下列说法正确的是( )
A.爆炸后的一瞬间,另一块以 的速度一定沿着与v0相反的方向飞去B.爆炸过程中另一块对弹头的平均作用力大小为C.爆炸过程释放的化学能为D.爆炸后到落地前,对弹头和另一块构成的系统,水平方向动量守恒
1.(多选)在光滑水平面上,两球沿球心连线以相等速率相向而行,并发生碰撞,下列现象可能的是( )A.若两球质量相同,碰后以某一相等速率互相分开B.若两球质量相同,碰后以某一相等速率同向而行C.若两球质量不同,碰后以某一相等速率互相分开D.若两球质量不同,碰后以某一相等速率同向而行
解析 碰撞前、后两小球组成的系统总动量守恒。碰撞前两球总动量为零,碰撞后也为零,所以选项A是可能的;若碰撞后两球以某一相等速率同向而行,则两球的总动量不为零,所以选项B不可能;碰撞前、后系统的总动量的方向不同,所以动量不守恒,选项C不可能;碰撞前总动量不为零,碰后也不为零,方向可能相同,所以,选项D是可能的。
2.如图所示,在光滑水平面上,用等大反向的两个力F1、F2分别同时作用于A、B两个静止的物体上,已知mA
3.如图所示,车厢长度为L,质量为M,静止于光滑水平面上,车厢内有一质量为m的物体,物体以初速度v开始向右运动,与车厢壁来回碰撞N次后,静止于车厢中,这时车厢的速度为( )A.v,水平向右B.0
解析 取车厢和物体为一个系统,系统满足动量守恒,与物体的往复运动没有关系。系统的初动量为mv,方向向右。碰撞结束后物体相对车厢静止,系统的末动量为(M+m)v',由动量守恒定律得mv=(M+m)v',车厢的速度 方向水平向右。
4.在沙堆上有一木块,质量m0=5 kg,木块上放一爆竹,质量m=0.10 kg。点燃爆竹后木块陷入沙中深5 cm,若沙对木块运动的阻力恒为58 N,不计爆竹中火药质量和空气阻力。求爆竹上升的最大高度。(g取10 m/s2)
基础落实·必备知识全过关
重难探究·能力素养全提升
学以致用·随堂检测全达标
1.知道非弹性碰撞、完全非弹性碰撞和弹性碰撞的概念和特点。(物理观念)2.掌握弹性碰撞的规律,能根据弹性碰撞的规律解释判断有关现象,并解决有关的问题。(科学思维)3.会应用动量、能量的观点分析、解决一维碰撞问题。(科学思维)
一、不同类型的碰撞1.弹性碰撞碰撞前后系统的总动能 的碰撞称为弹性碰撞。通常,分子、原子以及更小的粒子间的碰撞、生活中台球间的碰撞可视为弹性碰撞。 2.非弹性碰撞碰撞过程中机械能有 的碰撞称为非弹性碰撞。 3.完全非弹性碰撞如果碰撞后物体 ,系统的动能损失 ,这种碰撞称为完全非弹性碰撞。
二、弹性碰撞1.实验与探究(1)质量相等的两个钢球碰撞时,碰撞后两球交换了 ,可知碰撞前后两球的总动能相等。 (2)质量较大的钢球与静止的质量较小的钢球碰撞时,碰后两球运动方向 。 (3)质量较小的钢球与静止的质量较大的钢球碰撞时,碰后质量较小钢球速度方向与原来的速度方向 。
2.弹性碰撞的规律设质量为m1的小球以速度v1与质量为m2的静止的小球发生弹性碰撞,碰后m1、m2的速度分别为v1'和v2',碰撞过程中动量守恒和动能守恒,有m1v1= ① = ② 以上两式联立可解得v1'= ,v2'= ,
m1v1'+m2v2'
由以上两式对弹性碰撞实验研究结论的解释:(1)当m1=m2时,v1'= ,v2'= ,表示碰撞后两球交换速度。 (2)当m1>m2时,v1' 0,v2' 0,表示碰撞后两球向前运动。 若m1≫m2,则v1'=v1,v2'= 。表明m1的速度不变,m2以 的速度被撞出去。 (3)当m1
动量守恒定律是自然界普遍适用的规律之一。不仅低速、宏观物体的运动遵循这一规律,而且高速、微观物体的运动也遵循这一规律。
即学即用练一练如图所示,A、B、C、D、E、F六个小球并排放置在光滑的水平面上,B、C、D、E四个小球质量相等,而F小球质量小于B小球质量。A小球的质量等于F小球的质量,A小球以速度v0向B小球运动,所产生的碰撞均为弹性碰撞,则碰撞之后( )A.5个小球静止,1个小球运动B.4个小球静止,2个小球运动C.3个小球静止,3个小球运动D.6个小球都运动
解析 A小球与B小球相碰时,由于A小球的质量小于B小球的质量,A小球弹回,B小球获得速度与C小球碰撞,由于发生的碰撞为弹性碰撞且质量相等,B小球静止,C小球获得速度,同理,C小球与D小球的碰撞,D小球与E小球的碰撞都是如此,E小球获得速度后与F小球的碰撞过程中,由于E小球的质量大于F小球的质量,所以E小球、F小球碰后都向前运动,所以碰撞之后,A、E、F三小球运动,B、C、D三小球静止,选项C正确。
探究一 对碰撞问题的认识和理解
下图为一种游戏器具——超级碰撞球。多颗篮球般大小的钢球用钢缆悬挂在屋顶。拉开最右边钢球到某一高度,然后释放,碰撞后,仅最左边的球被弹起,摆至最大高度后落下来再次碰撞,致使最右边钢球又被弹起。上述现象如何解释?
要点提示 质量相等的两物体发生弹性正碰,碰撞中的动量、动能都守恒,碰后二者交换速度。
1.对碰撞的广义理解物理学里所研究的碰撞,包括的范围很广,只要通过短时间作用,物体的动量发生了明显的变化,都可视为碰撞。例如:两个小球的撞击,子弹射入木块,系在绳子两端的物体将松弛的绳子突然拉直,铁锤打击钉子,列车车厢的挂接,中子轰击原子核等均可视为碰撞问题。需注意的是必须将发生碰撞的双方(如两小球、子弹和木块、铁锤和钉子、中子和原子核等)包括在同一个系统中,才能对该系统应用动量守恒定律。
2.碰撞过程的五个特点(1)时间特点:在碰撞现象中,相互作用的时间很短。(2)相互作用力的特点:在相互作用过程中,相互作用力先是急剧增大,然后急剧减小,平均作用力很大。(3)动量的特点:系统的内力远远大于外力,所以系统即使所受合外力不为零,外力也可以忽略,系统的总动量守恒。(4)位移特点:碰撞过程时间极短,在物体发生碰撞瞬间,可忽略物体的位移,认为物体在碰撞前后仍在原位置。(5)能量特点:碰撞前总动能Ek与碰撞后总动能Ek'满足Ek≥Ek'。
3.碰撞的规律(1)碰撞的种类及遵从的规律
(2)特殊的弹性碰撞——运动物体碰静止物体
例题1 质量相等的A、B两球在光滑水平面上沿同一直线、同一方向运动,A球的动量是7 kg·m/s,B球的动量是5 kg·m/s,当A球追上B球发生碰撞,则碰撞后A、B两球的动量可能值是( )A.pA'=6 kg·m/s,pB'=6 kg·m/sB.pA'=3 kg·m/s,pB'=9 kg·m/sC.pA'=-2 kg·m/s,pB'=14 kg·m/sD.pA'=-4 kg·m/s,pB'=17 kg·m/s
解析 A、B球碰撞遵从动量守恒,有pA+pB=pA'+pB',选项D中数据不满足该方程,因而选项D错误;A、B球碰撞遵从能量守恒,碰前的总动能应不小于碰后总动能,即 ,mA=mB,选项A、B、C中数据只有A选项符合上式,选项A正确。
规律方法 1.碰撞现象同时遵守的三条原则(1)动量守恒:即p1+p2=p1'+p2'。(3)碰前、碰后的速度要符合实际的运动情境:①如果碰撞前两物体同向运动,则后面物体的速度必大于前面物体的速度,否则无法实现碰撞。碰撞后,原来在前的物体的速度一定增大,且原来在前的物体速度大于或等于原来在后的物体的速度,否则碰撞没有结束。②如果碰撞前两物体是相向运动,则碰后两物体的运动方向不可能都不改变(至少有一个物体的速度方向改变),除非两物体碰撞后速度均为零。
2.追碰现象合理性分析判断流程
针对训练1如图所示,两个小球A、B在光滑水平地面上相向运动,它们的质量mA=4 kg、mB=2 kg,速度vA=3 m/s(设为正方向)、vB=-3 m/s。则它们发生正碰后,速度的可能值分别为( )A.vA'=1 m/s,vB'=1 m/sB.vA'=4 m/s,vB'=-5 m/sC.vA'=2 m/s,vB'=-1 m/sD.vA'=-1 m/s,vB'=-5 m/s
解析 两球相碰过程遵从动量守恒,有mAvA+mBvB=mAvA'+mBvB',选项D中数据不满足该方程,选项D错误;选项B、C表明,两球碰后速度方向分别与各自碰前速度方向相同,仍处于碰撞过程,因而错误。故选A。
例题2 如图所示,光滑水平直轨道上两滑块A、B用橡皮筋连接,A的质量为m。开始时橡皮筋松弛,B静止,给A向左的初速度v0。一段时间后,B与A同向运动发生碰撞并粘在一起。碰撞后的共同速度是碰撞前瞬间A的速度的2倍,也是碰撞前瞬间B的速度的一半。求:
(1)B的质量;(2)碰撞过程中A、B系统机械能的损失。
解析 (1)以初速度v0的方向为正方向,设B的质量为mB,A、B碰撞后的共同速度为v,由题意知,碰撞前瞬间A的速度为 ,碰撞前瞬间B的速度为2v,由动量守恒定律得m +2mBv=(m+mB)v解得mB= 。(2)从开始到碰后的全过程,由动量守恒定律得mv0=(m+mB)v设碰撞过程A、B系统机械能的损失为ΔE,则
规律方法 处理碰撞问题的几个关键点(1)选取动量守恒的系统:有三个或更多个物体参与碰撞时,要合理选取所研究的系统。(2)明确碰撞的类型:弹性碰撞、完全非弹性碰撞还是其他非弹性碰撞。(3)明确碰撞过程中存在的关系:能量转化关系、几何关系、速度关系等。
针对训练2(多选)在光滑水平面上,一质量为m、速度大小为v的A球与质量为2m静止的B球发生正碰,碰撞可能是弹性的,也可能是非弹性的,则碰后B球的速度大小可能是( )
探究二 爆炸和碰撞问题的比较
汽车在公路上行驶时,驾驶员一定要系上安全带,你知道安全带有什么用途吗?
要点提示 汽车安全带在碰撞时对驾驶员进行约束,避免碰撞时驾驶员与方向盘及仪表盘等发生二次碰撞,或避免碰撞时驾驶员冲出车外。
闪光语录 (1)在碰撞过程中,系统的动量守恒,但机械能不一定守恒。(2)在爆炸过程中,系统的动量守恒,机械能一定不守恒。(3)宏观物体碰撞时一般相互接触,微观粒子的碰撞不一定接触,但只要符合碰撞的特点,就可认为是发生了碰撞。
例题3 一辆质量m1=3.0×103 kg 的小货车因故障停在车道上,后面一辆质量m2=1.5×103 kg 的轿车来不及刹车,直接撞入货车尾部失去动力。相撞后两车一起沿轿车运动方向滑行了x=6.75 m停下。已知车轮与路面的动摩擦因数μ=0.6,求碰撞前轿车的速度大小。(重力加速度g取10 m/s2)
针对训练3(2023湖南常德高二模拟)地空导弹又称防空导弹,是指从地面发射攻击空中目标的导弹。如图所示,某次导弹试射中,质量为M的地空导弹斜射向天空,运动到空中最高点时速度为v0,突然炸成两块,质量为m的弹头以速度v沿v0的方向飞去,爆炸过程时间极短,为Δt。整个过程忽略空气阻力,则下列说法正确的是( )
A.爆炸后的一瞬间,另一块以 的速度一定沿着与v0相反的方向飞去B.爆炸过程中另一块对弹头的平均作用力大小为C.爆炸过程释放的化学能为D.爆炸后到落地前,对弹头和另一块构成的系统,水平方向动量守恒
1.(多选)在光滑水平面上,两球沿球心连线以相等速率相向而行,并发生碰撞,下列现象可能的是( )A.若两球质量相同,碰后以某一相等速率互相分开B.若两球质量相同,碰后以某一相等速率同向而行C.若两球质量不同,碰后以某一相等速率互相分开D.若两球质量不同,碰后以某一相等速率同向而行
解析 碰撞前、后两小球组成的系统总动量守恒。碰撞前两球总动量为零,碰撞后也为零,所以选项A是可能的;若碰撞后两球以某一相等速率同向而行,则两球的总动量不为零,所以选项B不可能;碰撞前、后系统的总动量的方向不同,所以动量不守恒,选项C不可能;碰撞前总动量不为零,碰后也不为零,方向可能相同,所以,选项D是可能的。
2.如图所示,在光滑水平面上,用等大反向的两个力F1、F2分别同时作用于A、B两个静止的物体上,已知mA
3.如图所示,车厢长度为L,质量为M,静止于光滑水平面上,车厢内有一质量为m的物体,物体以初速度v开始向右运动,与车厢壁来回碰撞N次后,静止于车厢中,这时车厢的速度为( )A.v,水平向右B.0
解析 取车厢和物体为一个系统,系统满足动量守恒,与物体的往复运动没有关系。系统的初动量为mv,方向向右。碰撞结束后物体相对车厢静止,系统的末动量为(M+m)v',由动量守恒定律得mv=(M+m)v',车厢的速度 方向水平向右。
4.在沙堆上有一木块,质量m0=5 kg,木块上放一爆竹,质量m=0.10 kg。点燃爆竹后木块陷入沙中深5 cm,若沙对木块运动的阻力恒为58 N,不计爆竹中火药质量和空气阻力。求爆竹上升的最大高度。(g取10 m/s2)
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