高中 | 动量守恒定律的理解与一般应用 题目答案及解析

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选修3-5

第十六章 动量守恒定律

16.3 动量守恒定律

动量守恒定律的理解与一般应用

如图所示,光滑水平面上,小球$M$$N$分别在水平恒力$F_{1}$$F_{2}$作用下,由静止开始沿同一直线相向运动在$t_{1}$时刻发生正碰后各自反向运动。已知$F_{1}$$F_{2}$始终大小相等,方向相反。从开始运动到碰撞后第$1$次速度减为$0$的过程中,两小球速度$v$随时间$t$变化的图像,可能正确的是$(\qquad)$

["

","

","

","

"]
[["A"]]

根据牛顿第二定律$a=\dfrac{F}{m}$两物体受外力$F$大小相等,由图像的斜率等于加速度可知$M$$N$的加速度大小之比为$4:6=2:3$,可知$M$$N$的质量之比为$6:4=3:2$;设分别为$3m$$2m$;由图像可设$MN$碰前的速度分别为$4v$$6v$,则因$MN$系统受合外力为零,向右为正方向,则系统动量守恒,则由动量守恒定律$3m⋅4v-2m⋅6v=3mv_{1}+2mv_{2}$

若系统为弹性碰撞在,则能量关系可知$\dfrac{1}{2}3m{(4v)}^{2}+\dfrac{1}{2} \cdot 2m{(6v)}^{2}=\dfrac{1}{2} \cdot 3mv_{1}^{2}+\dfrac{1}{2} \cdot 2mv_{2}^{2}$

解得$v_{1}=-4v$$v_{2}=6v$

$M$$N$的加速度大小之比仍为$2:3$,则停止运动的时间之比为$1:1$,即两物体一起停止,则$BD$是错误的;

若不是弹性碰撞,则$3m⋅4v-2m⋅6v=3mv_{1}+2mv_{2}$

可知碰后速度大小之比为$v_{1}:v_{2}=2:3$

若假设$v_{1}=2v$,则$v_{2}=3v$,此时满足$\dfrac{1}{2}3m{(4v)}^{2}+\dfrac{1}{2} \cdot 2m{(6v)}^{2} \gt \dfrac{1}{2} \cdot 3mv_{1}^{2}+\dfrac{1}{2} \cdot 2mv_{2}^{2}$

则假设成立,因$M$$N$的加速度大小之比仍为$2:3$,则停止运动的时间之比为$1:1$,对$M$来说碰撞前后的速度之比为$4v:2v=2:1$

可知碰撞前后运动时间之比为$2:1$,可知$\rm A$正确,$\rm C$错误。

故选:$\rm A$

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