2022年高中物理八大解题方法之六:守恒法 .pdf
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1、- 1 - 高中物理解题方法之守恒法江苏省特级教师戴儒京一、动量守恒动量守恒定律:内容: 一个系统不受外力或者所受外力之和为零,这个系统的总动量保持不变。 这个结论叫做 动量守恒定律。公式: pp或2121pppp或2211vmvm=2211vmvm( 物理第一册第124 页) 例 1. 如图所示,在一光滑的水平面上有两块相同的木板B 和 C。重物 A(视为质点)位于 B 的右端, A、B、C 的质量相等。现A 和 B 以同一速度滑向静止的C,B 与 C 发生正碰,碰后B 和 C 粘在一起运动, A 在 C 上滑行, A 与 C 有摩擦力。已知A 滑到 C的右端而未掉下。试问:从B、C 发生正
2、碰到 A 刚移到 C 右端期间, C 所走过的距离是C 板长度的多少倍?解:设 A、B、C 的质量均为m, 碰撞前, A 与 B 的共同速度为v0,碰撞后, B 与 C 的共同速度为v1。以 B、C 为一系统, B、C 碰撞时间很短, B、C 之间的作用力(内力)远大于它们与A 的作用力(外力) ,该系统动量守恒,由动量守恒定律,得:102mvmv(1)设 A 滑至 C 右端时, A、B、C 三者的共同速度为v2。对 A、B、C 三个物体组成的系统,用动量守恒定律,有:2032mvmv(2)设 A 与 C 的动摩擦力因数为,从发生碰撞到A 滑至 C 的右端时, C 所走过的距离为s,对 B、C
3、,用动能定理,有22)2(21vmmgs-21)2(21vm(3)名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 1 页,共 14 页 - - - - - - - - - - 2 - 设 C 的长度为 L,对 A,用动能定理,有2021)(mvLsmg-2221mv(4)由以上各式解得:37Ls。例 2.甲、乙两运动员在做花样滑冰表演,沿同一直线相向运动,速度大小都是1 m/s,甲、乙相遇时用力推对方,此后都沿各自原方向的反方向运动,速度大小分别为1 m/s和2 m/s求甲、乙两运动
4、员的质量之比【答案】(3)由动量守恒1 12 22 21 1mvmvmvmv解得122211mvvmvv代入数据得1232mm例 3. 牛顿的自然哲学的数学原理中记载 , A 、 B 两个玻璃球相碰 ,碰撞后的分离速度和它们碰撞前的接近速度之比总是约为15 : 16 . 分离速度是指碰撞后B 对 A 的速度 ,接近速度是指碰撞前A 对 B 的速度 . 若上述过程是质量为2 m 的玻璃球A 以速度v0碰撞质量为m 的静止玻璃球B,且为对心碰撞 ,求碰撞后A、B 的速度大小 . 【解析】 设 A、B 球碰撞后速度分别为1v和2v由动量守恒定律21022mvmvmv,由题意知1615012vvv解得
5、014817vv,022431vv例 4. 如题 12C-2 图所示,进行太空行走的宇航员A 和 B 的质量分别为80kg 和 100kg,他们携手远离空间站,相对空间站的速度为0.1m/ s。 A 将 B 向空间站方向轻推后,A的速度变为0.2m/ s,求此时 B 的速度大小和方向。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 2 页,共 14 页 - - - - - - - - - - 3 - 【答案】根据动量守恒,设远离空间站方向为正,BBAABAvmvmvmm)(,解得sm
6、vB/02.0,方向为设远离空间站方向。【点评】本题考查动量守恒定律,难度:容易。二、 电荷数守恒和质量数守恒原子核的衰变方程如:HeThU422349023892在衰变过程中,衰变前的质量数等于衰变后的质量数之和;衰变前的电荷数等于衰变后的电荷数之和。大量观察表明,原子核衰变时电荷数和质量数都守恒。( 物理第三册第 65 页)例用大写字母表示原子核,表示衰变,一系列衰变记为:,另一系列衰变记为:。已知 P 是 F 的同位素。则()A Q 是 G 的同位素, R 是 H 的同位素B R 是 E 的同位素, S是 F 的同位素C R 是 G 的同位素, S 是 H 的同位素D Q 是 E 的同位
7、素, R 是 F 的同位素解:根据原子核衰变时电荷数和质量数都守恒,设 E 的核电荷数为z,质量数为m,即为Emz, 则经(He42) 衰变后,核电荷数为2z, 质量数为4m, 则 F 为Fmz42,经(e01)衰变后,核电荷数1,质量数不变,则G 为Gmz4;同样方法可算出,H 为Hmz 2。已知 P 是 F 的同位素,所以P 可以记为Pxz 2,x设为 P 的质量数,则经衰名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 3 页,共 14 页 - - - - - - - - - -
8、 4 - 变后, Q 为Qxz,再经衰变后, R 为Rxz 1,经衰变后, S 为Sxz42。由于 R 与 E 的核电荷数相同,所以R 是 E 的同位素。同样, S 是 F 的同位素。答案为 B。三、能的转化与守恒守恒思想在高中物理学中是贯穿前后的重要思想,包括能量守恒定律、动量守恒定律、电荷守恒定律等;守恒思想在高中物理的中各部分的体现与表达是不同的。能量守恒定律: 内容 :能量既不会凭空产生,也不会凭空消失,它只能从一种形式转化为别的形式 ,或者从一个物体转移到别的物体,在转化或转移的过程中其总量不变.这就是能量守恒定律 . 能量守恒定律在不同的条件下有不同的体现,在高中物理学习的不同阶段
9、有不同的表达 . 力做功,功变能,能守恒。合力做功 =动能的改变(动能定理)重力做功 =重力势能的改变。重力做正功,重力势能减少,重力做负功,重力势能增大。弹力做功 =弹性势能的变化。弹力做正功,弹性势能减少,弹力做负功,弹性势能增大。电场力做功 =电势能的变化。电场力做正功,电势能减少,电场力做负功,电势能增大。安培力做功 =电能的变化。安培力做正功,电能转化为其他形式的能,安培力做负功(克服安培力做功) ,其他形式的能转化为电能。摩擦力做功 =热能的变化。克服摩擦力做功,其他形式的能转化为热能。1机械能守恒定律(能量守恒定律在力学中的表达) 内容:在只有重力做功的情形下,物体的动能和重力势
10、能发生相互转化,但机械能的总量保持不变。这个结论叫做机械能守恒定律公式:2221mv+2mgh=2121mv+1mgh或者2kE+2PE=1kE+1PE(全日制普通高级中学教科书(必修)物理第一册第147名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 4 页,共 14 页 - - - - - - - - - - 5 - 页 148 页)在弹性势能和动能的相互转化中,如果只有弹力做功,动能与弹性势能之和保持不变,即机械能守恒( 物理第148 页)公式:2221mv+2221kx=212
11、1mv+2121kx(笔者补充)弹簧振子和单摆是在弹力或重力的作用下发生振动的,如果不考虑摩擦和空气阻力,只有弹力或重力做功,那么振动系统的机械能守恒. 例 1.柴油打桩机的重锤由汽缸、活塞等若干部件组成,汽缸与活塞间有柴油与空气的混合物。在重锤与桩碰撞的过程中,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 处从静止开始沿竖直轨道自由下落(如图1) ,打在钢筋混凝土桩子上,钢筋混凝土桩子(包括桩帽)的质量为M。同时,柴油燃烧,产生猛烈推力,锤和桩分离,这一过程的时间极短。随后,桩在泥土中向
12、下移动一段距离L。已知锤反跳后到达最高点时,锤与已停下的桩帽之间的距离也为 h(如图 2) 。已知:kgm3100.1,kgM3100 .2,mh0.2,mL20.0。重力加速度2/10smg。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,求此力的大小。解:锤自由下落,只有重力做功,机械能守恒,设锤碰桩前速度为1v,由2121mvmgh,得ghv21(1)碰后,锤上升高度为(h-L), 设锤刚碰桩后速度为2v,根据机械能守恒定律,有名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - -
13、 - - - 第 5 页,共 14 页 - - - - - - - - - - 6 - 2221)(mvLhmg,得)(22Lhgv(2)设碰后桩的速度为v,方向向下,根据碰撞前后动量守恒,设向下为正方向,有:)(21vmMvmv,得Mvvmv)(21(3)桩下降的过程中,根据动能定理,有2210MvFLMgL(4)由( 1) 、 (2) 、 (3) 、 (4)式解得: )(22LhhLhMmLmgMgF代入数据得: F=2.1105N。2 热力学第一定律 (能量守恒定律在热学中的表达) 内容 : 如果物体跟外界同时发生做功和热传递的过程,那么 ,外界对物体所做的功W加上物体从外界吸收的热量Q
14、 等于物体内能的增加U. 公式 : U=Q+W 上式所表示的功、热量跟内能改变之间的定量关系,在物理学中叫做热力学第一定律. 符号法则 : U: 物体的内能的增加为正,减少为负,不变为0;热量 Q: 物体从外界吸收的热量为正,向外界放出的热量为负;功 W: 外界对物体所做的功为正,物体对外界所做的功为负。例 2一定质量为的理想气体,从某一状态开始,经过一系列变化后又回到开始状态,用W1表示外界对气体做的功,W2表示气体对外界做的功;Q1表示气体吸收的热量, Q2表示气体放出的热量,则在整个过程中一定有()A1221WWQQB21QQC21WWD21QQ解:根据热力学第一定律,U=Q+W ,(1
15、)式中U=0,又据符号法则,21QQQ,(2)名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 6 页,共 14 页 - - - - - - - - - - 7 - 21WWW,(3)将( 2) 、 (3)代入( 1)式,得答案: A。3 机械能与电势能之和守恒(能量守恒定律在电场中的表达) 电场力做功的过程是电势能和其他形式的能相互转化的过程, 电场力做了多少功,就有多少电势能和其他形式的能发生相互转化.( 物理第二册第104 页) 如果只有电场力做功, 电势能和动能相互转化, 动能
16、与电势能之和守恒; 公式 : 2221mv+2qU=2121mv+1qU如果只有电场力和重力做功, 电势能和机械能相互转化, 机械能与电势能之和守恒. 公式 : 2221mv+2mgh+2qU=2121mv+1mgh+1qU例 3如图 3 所示,将一质量为m、电荷量为 +q 的小球固定在绝缘杆的一端,杆的另一端可绕通过O 点的固定轴转动。杆长为L,杆的质量忽略不计。杆和小球置于场强为 E 的匀强电场中,电场的方向如图所示,将杆拉至水平位置OA,在此处将小球自由释放。求杆运动到竖直位置OB 时小球的速度。A O E B 图 3 解:杆和球运动过程中只有重力和电场力做功,机械能与电势能之和守恒,有
17、2221mv+2mgh+2qU=2121mv+1mgh+1qU(1)其中 1 表示位置 A,2 表示位置 B。则有Lhh21,ELUU21,01v,将以上三式代入(1)式,得:qELgLv222。4 电磁感应中的能量转化与守恒(能量守恒定律在电磁感应中的表达) 能量守恒定律是一个普遍适用的定律,同样适用于电磁感应现象.在发电机中 ,外力做功,消耗机械能 ,产生的电能是从机械能转化而来的;发电机就是应用这个原理制成的.在变压器中 ,电能是由初级线圈转移给次级线圈的,变压器就是应用这个原理制成的.在这中名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - -
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