1. 系统选择
动量守恒定律的研究对象是系统,利用动量守恒定律解决问题的第一步就是恰当地选择系统,选择系统时,系统必须满足守恒定律条件并且易于求解。
例1:如图1所示,两质量相等的物体A、B静止在平板车C上,A、B间有一压缩弹簧,A、B与平板车上表面的滑动摩擦力之比为3:2,地面光滑,当突然松开压缩弹簧时,则()
图1
AA与B组成的系统动量守恒;
B.汽车向左行驶;
CA、B、C组成的系统的动量守恒;
D.汽车向右移动
分析:本题中,若以两个质量相等的物体A、B为研究对象,由于与手推车C的摩擦力大小不同,作用于系统上的净外力不为零,不满足守恒条件;但若以A、B、C为一个系统,则作用于系统上的净外力为零,满足守恒条件。
解答:分析手推车C所受的水平力:C受到来自A点向左的摩擦力FAC;C受到来自B点向右的摩擦力FBC;由于FAC:FBC=3:2,手推车向左移动,所以本题答案应为BC。
2. 明确积极方向
原则上可以选择任意方向作为正方向,但是为了解题方便,通常取初速度方向为正方向,并在解题时按规定写明。
例2:三个大小相同但质量不一定相同的球A、B、C,如图2所示,在光滑水平面上沿同一直线运动。设三个球的初动量分别为1kg·m/s、13kg·m/s、-5kg·m/s,若每两个球之间只能发生一次正面碰撞,且动作过程中A受到的冲量为-9N·s,B受到的冲量为1N·s,则C受到的冲量为,A的动量变化为。
图 2
分析:从题意可知,A球的运动方向(向右)为正方向。B球对A的冲量为-9N·s,所以A的动量变化为-9kg·m/s,B球对A的冲量为9N·s。题意为“B球对C的冲量为1N·s”,即“B球对C的冲量为-8N·s”,所以C球对B的冲量为8N·s。因此,本题两个空白应为:8N·s和-9kg·m/s。
3. 确定初始状态和最终状态
因为动量守恒定律不像牛顿运动定律那样需要对整个过程进行严格的分析,而只需要选取起止时间即可。通常在解题时,以题目中设定的条件为初状态,以题目需要的时间作为终状态。
例3:有两名滑冰运动员A、B,体重分别为48kg和50kg。A手拿一个2kg的球。两人在光滑的冰面上以2m/s的速度相向滑行。A将球传给B,B再将球传给A。经过几次抛接后,球回到A手中。此时B的速度为零。A的速度是多少?
分析:本题以两名溜冰者A、B和A手中的球为系统,满足动量守恒定律。由于整个过程中抛接动作要重复多次动量守恒条件,用牛顿运动定律几乎无法解决。但动量守恒定律决定,A握球,两人以2m/s的速度溜冰的状态为初状态,球回到A手中,B的速度为零的状态为终状态。根据动量守恒定律,可解方程得到结果。
答案:以A、B和球为一个系统,初始状态为抛接前,终止状态为多次抛接后,A开始运动的方向为正方向。
根据动量守恒定律
解决方案是:
因此,这个问题的答案应该是零。
4. 探究问题中条件所蕴含的物理意义或物理定律
这是动量守恒定律解题的技巧,也是解题的突破口和难点。很多时候,题目在描述已知条件时,不会表述清楚,而是用一些日常用语或者暗示性的词语来解释条件或者提出疑问。比如:慢慢移动,只是不发生碰撞等等。
例4:汽车和人的质量都是50kg,一开始的速度都是2m/s,当人跳下汽车时,就是自由落体,请问人跳下汽车后,汽车的速度是多少?
分析:本题中系统和正方向的确定一目了然,人和车就是系统,原来的运动方向就是正方向。初、终状态也很容易确定。但这道题的关键是确定人终状态的速度,这是本题的突破点。题中说“人跳下来之后,只是做自由落体运动”,说明人终状态的水平速度为零。
答:以人和车为一个系统,原运动方向为正方向,以跳车前的人为起始状态,跳车后的人为终止状态,根据动量守恒定律
,将数据代入:
解决方案
所以本题答案为:人跳下后,车速为4m/s。
5. 质量问题
解动量守恒定律问题时,还有一个需要注意的问题,就是质量问题。这个问题也是学生容易忽略的一个问题,但往往是一个致命的问题,尤其是当题目写到质量时,是否写出总质量,是否包含抛出物体的质量。
例5:一列总质量为m的列车在直轨上以恒定速度v行驶。突然,后面一节质量为m的车厢脱离了车厢。设列车所受阻力与列车质量成正比,牵引力不变,当后车厢刚好静止时,前车的速度为多少?
分析:以这列总质量为M的列车为研究对象,由于其以匀速运动,牵引力与阻力平衡,所受净外力为零动量守恒条件,满足动量守恒定律。
答:以这列总质量为M的列车为研究对象,匀速运动状态为初状态,后车厢刚好静止的瞬间为终状态,原速度方向为正方向。
根据动量守恒定律:
解这个方程,我们得到
。
