高中物理人教专题4.5 碰撞模型（解析版）.docx

重点模型与核心问题深究
专题4.5 碰撞模型
目录
一　碰撞模型及应用 1
二　弹性碰撞模型及拓展 3
三 专题跟踪检测 7
一　碰撞模型及应用
1.三种碰撞的特点及规律
弹性碰撞
动量守恒：m1v1＋m2v2＝m1v1′＋m2v2′
机械能守恒：m1v12＋m2v22＝m1v1′2＋m2v2′2
完全非弹性碰撞
动量守恒、末速度相同：m1v1＋m2v2＝(m1＋m2)v′
机械能损失最多，损失的机械能：
ΔE＝m1v12＋m2v22－(m1＋m2)v′2
非弹性碰撞
动量守恒：m1v1＋m2v2＝m1v1′＋m2v2′
机械能有损失，损失的机械能：
ΔE＝m1v12＋m2v22－m1v1′2－m2v2′2
碰撞问题遵循的三条原则
(1)动量守恒：p1＋p2＝p1′＋p2′
(2)动能不增加：Ek1＋Ek2≥Ek1′＋Ek2′
(3)若碰后同向，后方物体速度不大于前方物体速度
　2.弹性碰撞的“动碰静”模型
(1)由动量守恒和能量守恒得，
m1v0＝m1v1＋m2v2
m1v02＝m1v12＋m2v22；
(2)碰后的速度：v1＝v0，v2＝v0.
3.弹性碰撞模型的拓展应用
【例1】 (2022·湖南卷)1932年，查德威克用未知射线轰击氢核，发现这种射线是由质量与质子大致相等的中性粒子(即中子)组成。如图，中子以速度v0分别碰撞静止的氢核和氮核，碰撞后氢核和氮核的速度分别为v1和v2。设碰撞为弹性正碰，不考虑相对论效应，下列说法正确的是(　　)
A．碰撞后氮核的动量比氢核的小
B．碰撞后氮核的动能比氢核的小
C．v2大于v1
D．v2大于v0
【答案】B
【解析】　设中子的质量为m，则氢核的质量也为m，氮核的质量为14m，设中子和氢核碰撞后中子速度为v3，取v0的方向为正方向，由动量守恒定律和能量守恒定律可得mv0＝mv1＋mv
3mv＝mv＋mv
联立解得v1＝v0
设中子和氮核碰撞后中子速度为v4，取v0的方向为正方向，由动量守恒定律和能量守恒定律可得mv0＝14mv2＋mv4
mv＝×14mv＋mv
联立解得v2＝v0
可得v1＝v0>v2，故C、D错误；
碰撞后氢核的动量为pH＝mv1＝mv0
氮核的动量为pN＝14mv2＝
可得pN>pH，故A错误；
碰撞后氢核的动能为EkH＝mv＝mv
氮核的动能为EkN＝×14mv＝
可得EkH>EkN，故B正确。
【例2】(2022·河北省纵向评价)在北京冬奥会中，中国健儿取得了出色的成绩。某次训练中，运动员将质量为19.1 kg的冰壶甲以某一速度掷出，冰壶在向前运动过程中，碰到了对方的静止冰壶乙，冰壶乙在运动0.2 m后停下。已知比赛双方所用冰壶完全相同，冰壶与冰面的动摩擦因数为0.01，当地重力加速度约为10 m/s2。假设两冰壶的碰撞为一维碰撞，且不计碰撞的能量损失，则冰壶甲在碰前的速度约为(　　)
A．2.0 m/s B．0.2 m/s
C．1.0 m/s D．0.1 m/s
【答案】　B
【解析】　碰撞过程中，甲乙冰壶的动量守恒得mv0＝mv1＋mv2，根据机械能守恒定律得mv＝mv＋mv，对乙冰壶根据动能定理得－μmgx＝0－mv，解得v0＝0.2 m/s，故B正确。
二　弹性碰撞模型及拓展
1.“滑块—弹簧”模型 (如图)
水平面光滑
(1)注意临界条件：弹簧压缩到最短或伸长到最长时，两滑块同速，弹簧的弹性势能最大。
(2)从开始压缩弹簧到弹簧恢复原长的过程，可看成弹性碰撞过程，恢复原长时，v1＝v0，v2＝v0。
2．“滑块—斜面”模型(如图)
各接触面均光滑
(1)水平方向动量守恒。
(2)注意临界条件：滑块沿斜面上升到最高点时，滑块与斜面同速，系统动能最小，重力势能最大。
(3)从滑块以v0滑上斜面再滑下到分离的过程，可看成弹性碰撞过程，滑块离开斜面时，v1＝v0，v2＝v0。
3．“小球—圆弧槽”模型 (如图)
接触面均光滑
(1)水平方向动量守恒。
(2)小球滑上圆弧槽并从顶端离开圆弧槽时，小球与圆弧槽水平速度相同，离开后二者水平位移相同，小球会沿切面再进入圆弧槽。
(3)从小球以v0滑上圆弧槽再滑下到分离的过程，可看成弹性碰撞过程，小球离开圆弧槽时，v1＝v0，v2＝v0。
【例1】 (2022·山西运城期末)如图所示，在光滑的水平地面上有一静止的质量为M的四分之一光滑圆弧滑块，圆弧的半径为R，最低点处刚好与水平地面相切。一质量为m的小球以一定的初速度沿水平地面向右运动，不计小球冲上圆弧滑块过程中的机械能损失。如果圆弧滑块固