1、高高考考物物理理解解题题模模型型 目目录录 第一章 运动和力. 1 一、追及、相遇模型. 1 二、先加速后减速模型. 3 三、斜面模型. 6 四、挂件模型. 10 五、弹簧模型（动力学）. 17 第二章 圆周运动. 19 一、水平方向的圆盘模型. 19 二、行星模型. 21 第三章 功和能. 1 一、水平方向的弹性碰撞. 1 二、水平方向的非弹性碰撞. 5 三、人船模型. 8 四、爆炸反冲模型. 11 第四章 力学综合. 13 一、解题模型：. 13 二、滑轮模型. 18 三、渡河模型. 21 第五章 电路. 1 一、电路的动态变化. 1 二、交变电流. 6 第六章 电磁场. 1 一、电磁场中
2、的单杆模型. 1 二、电磁流量计模型. 7 三、回旋加速模型. 9 四、磁偏转模型. 14 第 1页 第第一一章章 运运动动和和力力 一一、追追及及、相相遇遇模模型型 模模型型讲讲解解： 1 火车甲正以速度 v1向前行驶，司机突然发现前方距甲 d 处有火车乙正以较小速度 v2同向匀速行 驶，于是他立即刹车，使火车做匀减速运动。为了使两车不相撞，加速度 a 应满足什么条件？ 解析：设以火车乙为参照物，则甲相对乙做初速为、加速度为 a 的匀减速运动。若甲 相对乙的速度为零时两车不相撞，则此后就不会相撞。因此，不相撞的临界条件是：甲车减速到与 乙车车速相同时，甲相对乙的位移为 d。 即：， 故不相撞
3、的条件为 2 甲、乙两物体相距 s，在同一直线上同方向做匀减速运动，速度减为零后就保持静止不动。甲物 体在前， 初速度为 v1， 加速度大小为a1。 乙物体在后， 初速度为 v2， 加速度大小为a2且知 v1v2， 但两物体一直没有相遇，求甲、乙两物体在运动过程中相距的最小距离为多少？ 解析：若是，说明甲物体先停止运动或甲、乙同时停止运动。在运动过程中，乙的速度 一直大于甲的速度，只有两物体都停止运动时，才相距最近，可得最近距离为 若是，说明乙物体先停止运动那么两物体在运动过程中总存在速度相等的时刻，此时 两物体相距最近，根据，求得 在 t 时间内 甲的位移 乙的位移 代入表达式 求得 3 如
4、图 1.01 所示，声源 S 和观察者 A 都沿 x 轴正方向运动，相对于地面的速率分别为和。 空气中声音传播的速率为，设，空气相对于地面没有流动。 图 1.01 （1）若声源相继发出两个声信号。时间间隔为，请根据发出的这两个声信号从声源传播 到观察者的过程。确定观察者接收到这两个声信号的时间间隔。 （2）请利用（1）的结果，推导此情形下观察者接收到的声波频率与声源发出的声波频率间 的关系式。 解析：作声源 S、观察者 A、声信号 P（P1为首发声信号，P2为再发声信号）的位移时间图象 如图 2 所示图线的斜率即为它们的速度则有： 图 2 两式相减可得： 解得 （2）设声源发出声波的振动周期为
5、 T，这样，由以上结论，观察者接收到的声波振动的周期为 由此可得，观察者接收到的声波频率与声源发出声波频率间的关系为 4 在一条平直的公路上，乙车以 10m/s 的速度匀速行驶，甲车在乙车的后面作初速度为 15m/s，加 速度大小为 0.5m/s2的匀减速运动，则两车初始距离 L 满足什么条件时可以使（1）两车不相遇； （2）两车只相遇一次； （3）两车能相遇两次（设两车相遇时互不影响各自的运动） 。 答案：设两车速度相等经历的时间为 t，则甲车恰能追及乙车时，应有 其中，解得 若，则两车等速时也未追及，以后间距会逐渐增大，及两车不相遇。 若，则两车等速时恰好追及，两车只相遇一次，以后间距会逐
6、渐增大。 若，则两车等速时，甲车已运动至乙车前面，以后还能再次相遇，即能相遇两次。 二二、先先加加速速后后减减速速模模型型 模模型型概概述述： 物体先加速后减速的问题是运动学中典型的综合问题，也是近几年的高考热点，同学在求 解这类问题时一定要注意前一过程的末速度是下一过程的初速度，如能画出速度图象就更明确 过程了。 模模型型讲讲解解： 1 一小圆盘静止在桌面上，位于一方桌的水平桌面的中央。桌布的一边与桌的 AB 边重合，如图 1.02 所示。已知盘与桌布间的动摩擦因数为，盘与桌面间的动摩擦因数为。现突然以恒 定加速度 a 将桌布抽离桌面，加速度方向是水平的且垂直于 AB 边。若圆盘最近未从桌面
7、掉下， 则加速度 a 满足的条件是什么？（以 g 表示重力加速度） 图 1.02 解析：根据题意可作出物块的速度图象如图 2 所示。设圆盘的质量为 m，桌边长为 L，在桌布 从圆盘下抽出的过程中，盘的加速度为，有 图 2 桌布抽出后，盘在桌面上做匀减速运动，以表示加速度的大小，有 设盘刚离开桌布时的速度为， 移动的距离为， 离开桌布后在桌面上再运动距离后便停下， 由匀变速直线运动的规律可得： 盘没有从桌面上掉下的条件是： 设桌布从盘下抽出所经历时间为 t，在这段时间内桌布移动的距离为 x，有： ，而，求得： ，及 联立解得 2 一个质量为 m=0.2kg 的物体静止在水平面上，用一水平恒力 F
8、 作用在物体上 10s，然后撤去水平 力 F，再经 20s 物体静止，该物体的速度图象如图 3 所示，则下面说法中正确的是（） A. 物体通过的总位移为 150m B. 物体的最大动能为 20J C. 物体前 10s 内和后 10s 内加速度大小之比为 2：1 D. 物体所受水平恒力和摩擦力大小之比为 3：1 答案：ACD 图 3 三三、斜斜面面模模型型 1 相距为 20cm 的平行金属导轨倾斜放置，如图 1.03，导轨所在平面与水平面的夹角为， 现在导轨上放一质量为 330g 的金属棒 ab，它与导轨间动摩擦系数为，整个装置处于 磁感应强度 B=2T 的竖直向上的匀强磁场中，导轨所接电源电动
9、势为 15V，内阻不计，滑动变阻 器的阻值可按要求进行调节，其他部分电阻不计，取，为保持金属棒 ab 处于静止 状态，求： （1）ab 中通入的最大电流强度为多少？ （2）ab 中通入的最小电流强度为多少？ 图 1.03 导体棒 ab 在重力、静摩擦力、弹力、安培力四力作用下平衡，由图 2 中所示电流方向，可知导 体棒所受安培力水平向右。当导体棒所受安培力较大时，导体棒所受静摩擦力沿导轨向下，当导体 棒所受安培力较小时，导体棒所受静摩擦力沿导轨向上。 （1）ab 中通入最大电流强度时受力分析如图 2，此时最大静摩擦力沿斜面向下，建 立直角坐标系，由 ab 平衡可知，x 方向： y 方向：由以上
10、各式联立解得： （2）通入最小电流时，ab 受力分析如图 3 所示，此时静摩擦力，方向沿斜面向上， 建立直角坐标系，由平衡有： x 方向： y 方向： 联立两式解得： 由 2 物体置于光滑的斜面上，当斜面固定时，物体沿斜面下滑的加速度为，斜面对物体的弹力为 。斜面不固定，且地面也光滑时，物体下滑的加速度为，斜面对物体的弹力为，则 下列关系正确的是： A.B. C.D. 当斜面可动时， 对物体来说是相对斜面这个加速参考系在作加速运动， 而且物体和参考系的运动 方向不在同一条直线上，利用常规的方法难于判断，但是利用矢量三角形法则能轻松获解。 如图 4 所示，由于重力的大小和方向是确定不变的，斜面弹
11、力的方向也是惟一的，由共点力合成 的三角形法则，斜面固定时， 加速度方向沿斜面向下， 作出的矢量图如实线所示， 当斜面也运动时， 物体并不沿平行于斜面方向运动，相对于地面的实际运动方向如虚线所示。所以正确选项为 B。 3 带负电的小物体在倾角为的绝缘斜面上，整个斜面处于范围足够大、方向水平向 右的匀强电场中，如图 1.04 所示。物体 A 的质量为 m，电量为-q，与斜面间的动摩擦因素为， 它在电场中受到的电场力的大小等于重力的一半。物体 A 在斜面上由静止开始下滑，经时间 t 后突然在斜面区域加上范围足够大的匀强磁场，磁场方向与电场强度方向垂直，磁感应强度大 小为 B，此后物体 A 沿斜面继
12、续下滑距离 L 后离开斜面。 （1）物体 A 在斜面上的运动情况？说明理由。 （2）物体 A 在斜面上运动过程中有多少能量转化为内能？（结果用字母表示） 图 1.04 （1） 物体A在斜面上受重力、 电场力、 支持力和滑动摩擦力的作用， 小物体A在恒力作用下， 先在斜面上做初速度为零的匀加速直线运动； 加上匀强磁场后， 还受方向垂直斜面向上的洛伦兹 力作用， 方可使 A离开斜面，故磁感应强度方向应垂直纸面向里。随着速度的增加， 洛伦兹力增大， 斜面的支持力减小，滑动摩擦力减小，物体继续做加速度增大的加速运动，直到斜面的支持力变为 零，此后小物体 A 将离开地面。 （2）加磁场之前，物体 A 做
13、匀加速运动，据牛顿运动定律有： 解出 A 沿斜面运动的距离为： 加上磁场后，受到洛伦兹力 随速度增大，支持力减小，直到时，物体 A 将离开斜面，有： 物体 A 在斜面上运动的全过程中，重力和电场力做正功，滑动摩擦力做负功，洛伦兹力不做功， 根据动能定理有： 物体 A 克服摩擦力做功，机械能转化为内能： 4 如图 1.05 所示，在水平地面上有一辆运动的平板小车，车上固定一个盛水的杯子，杯子的直径 为 R。当小车作匀加速运动时，水面呈如图所示状态，左右液面的高度差为 h，则小车的加速度 方向指向如何？加速度的大小为多少？ 图 1.05 我们由图可以看出物体运动情况，根据杯中水的形状，可以构建这样
14、的一个模型，一个物块放在 光滑的斜面上（倾角为） ，重力和斜面的支持力的合力提供物块沿水平方向上的加速度，其加速 度为：。 我们取杯中水面上的一滴水为研究对象，水滴受力情况如同斜面上的物块。由题意可得，取杯中 水面上的一滴水为研究对象，它相对静止在“斜面”上，可以得出其加速度为，而 ，得，方向水平向右。 5 如图 1.06 所示，质量为 M 的木板放在倾角为的光滑斜面上，质量为 m 的人在木板上跑，假如 脚与板接触处不打滑。 （1）要保持木板相对斜面静止，人应以多大的加速度朝什么方向跑动？ （2）要保持人相对于斜面的位置不变，人在原地跑而使木板以多大的加速度朝什么方向运动？ 图 1.06 答案
15、： （1）要保持木板相对斜面静止，木板要受到沿斜面向上的摩擦力与木板的下滑力平衡，即 ， 根据作用力与反作用力人受到木板对他沿斜面向下的摩擦力， 所以人受到的合力为： 方向沿斜面向下。 （2）要保持人相对于斜面的位置不变，对人有，F 为人受到的摩擦力且沿斜面向 上，根据作用力与反作用力等值反向的特点判断木板受到沿斜面向下的摩擦力，大小为 所以木板受到的合力为： 方向沿斜面向下。 四四、挂挂件件模模型型 1 图 1.07 中重物的质量为 m，轻细线 AO 和 BO 的 A、B 端是固定的。平衡时 AO 是水平的，BO 与水平面的夹角为。AO 的拉力 F1和 BO 的拉力 F2的大小是（） A.B
16、. C.D. 图 1.07 解析：以“结点”O 为研究对象，沿水平、竖直方向建立坐标系，在水平方向有竖 直方向有联立求解得 BD 正确。 2 物体 A 质量为，用两根轻绳 B、C 连接到竖直墙上，在物体 A 上加一恒力 F，若图 1.08 中力 F、轻绳 AB 与水平线夹角均为，要使两绳都能绷直，求恒力 F 的大小。 图 1.08 解析：要使两绳都能绷直，必须，再利用正交分解法作数学讨论。作出 A 的受 力分析图 3，由正交分解法的平衡条件： 图 3 解得 两绳都绷直，必须 由以上解得 F 有最大值，解得 F 有最小值，所以 F 的取值为 。 3 如图 1.09 所示，AB、AC 为不可伸长的
17、轻绳，小球质量为 m=0.4kg。当小车静止时，AC 水平， AB 与竖直方向夹角为=37，试求小车分别以下列加速度向右匀加速运动时，两绳上的张力 FAC、FAB分别为多少。取 g=10m/s2。 （1）； （2）。 图 1.09 解析：设绳 AC 水平且拉力刚好为零时，临界加速度为 根据牛顿第二定律 联立两式并代入数据得 当，此时 AC 绳伸直且有拉力。 根据牛顿 第二定律；， 联立两式 并代入数 据得 当，此时 AC 绳不能伸直，。 AB 绳与竖直方向夹角，据牛顿第二定律，。联立两 式并代入数据得。 4 两个相同的小球 A 和 B，质量均为 m，用长度相同的两根细线把 A、B 两球悬挂在水
18、平天花板 上的同一点 O，并用长度相同的细线连接 A、B 两小球，然后用一水平方向的力 F 作用在小球 A 上，此时三根细线均处于直线状态，且 OB 细线恰好处于竖直方向，如图 1 所示，如果不考虑 小球的大小，两球均处于静止状态，则力 F 的大小为（） A. 0B. mgC.D. 图 1.10 答案：C 5 如图 1.11 甲所示，一根轻绳上端固定在 O 点，下端拴一个重为 G 的钢球 A，球处于静止状态。 现对球施加一个方向向右的外力 F，使球缓慢偏移，在移动中的每一刻，都可以认为球处于平 衡状态，如果外力 F 方向始终水平，最大值为 2G，试求： （1）轻绳张力 FT的大小取值范围； （
19、2）在乙图中画出轻绳张力与 cos的关系图象。 图 1.11 答案： （1）当水平拉力 F=0 时，轻绳处于竖直位置时，绳子张力最小 当水平拉力 F=2G 时，绳子张力最大： 因此轻绳的张力范围是： （2）设在某位置球处于平衡状态，由平衡条件得 所以即，得图象如图 7。 图 7 6 如图 1.12 所示，斜面与水平面间的夹角，物体 A 和 B 的质量分别为、 。两者之间用质量可以不计的细绳相连。求： （1） 如A和B对斜面的动摩擦因数分别为，时， 两物体的加速度各为多大？ 绳的张力为多少？ （2）如果把 A 和 B 位置互换，两个物体的加速度及绳的张力各是多少？ （3）如果斜面为光滑时，则两个
20、物体的加速度及绳的张力又各是多少？ 图 1.12 解析： （1）设绳子的张力为，物体 A 和 B 沿斜面下滑的加速度分别为和，根据牛顿第 二定律： 对 A 有 对 B 有 设，即假设绳子没有张力，联立求解得，因，故 说 明 物 体 B 运 动 比 物 体 A 的 运 动 快 ， 绳 松 弛 ， 所 以的 假 设 成 立 。 故 有 因而实际不符，则A 静止。 （2）如 B 与 A 互换则，即 B 物运动得比 A 物快，所以 A、B 之间有拉力且共速， 用整体法 代入数据求出，用隔离法对 B：代入数据求出 （3）如斜面光滑摩擦不计，则 A 和 B 沿斜面的加速度均为两物间无作用 力。 7 如图
21、1.13 所示，固定在小车上的支架的斜杆与竖直杆的夹角为、在斜杆下端固定有质量为 m 的小球，下列关于杆对球的作用力 F 的判断中，正确的是（） A. 小车静止时，方向沿杆向上 B. 小车静止时，方向垂直杆向上 C. 小车向右以加速度 a 运动时，一定有 D. 小车向左以加速度 a 运动时，方向 斜向左上方，与竖直方向的夹角为图 1.13 解析： 小车静止时， 由物体的平衡条件知杆对球的作用力方向竖直向上， 且大小等于球的重力mg。 小车向右以加速度 a 运动，设小球受杆的作用力方向与竖直方向的夹角为，如图 4 所示，根 据牛顿第二定律有：，两式相除得：。 图 4 只有当球的加速度且向右时，杆
22、对球的作用力才沿杆的方向，此时才有 。小车向左以加速度 a 运动，根据牛顿第二定律知小球所受重力 mg 和杆对球的作用 力 F 的合力大小为 ma，方向水平向左。根据力的合成知，方向斜向左上方， 与竖直方向的夹角为： 8 如图 1.14 所示，在动力小车上固定一直角硬杆 ABC，分别系在水平直杆 AB 两端的轻弹簧和细 线将小球 P 悬吊起来。轻弹簧的劲度系数为 k，小球 P 的质量为 m，当小车沿水平地面以加速 度 a 向右运动而达到稳定状态时，轻弹簧保持竖直，而细线与杆的竖直部分的夹角为，试求 此时弹簧的形变量。 图 1.14 答案：， ，讨论： 若则弹簧伸长 若则弹簧伸长 若则弹簧压缩
23、五五、弹弹簧簧模模型型（动动力力学学） 1 如图1.15所示， 四个完全相同的弹簧都处于水平位置， 它们的右端受到大小皆为F的拉力作用， 而左端的情况各不相同：中弹簧的左端固定在墙上。中弹簧的左端受大小也为 F 的拉力作 用。中弹簧的左端拴一小物块，物块在光滑的桌面上滑动。中弹簧的左端拴一小物块，物 块在有摩擦的桌面上滑动。若认为弹簧的质量都为零，以 l1、l2、l3、l4依次表示四个弹簧的伸 长量，则有（） 图 1.15 A.B.C.D. 解析：当弹簧处于静止（或匀速运动）时，弹簧两端受力大小相等，产生的弹力也相等，用其中 任意一端产生的弹力代入胡克定律即可求形变。当弹簧处于加速运动状态时，
24、以弹簧为研究对象， 由于其质量为零， 无论加速度a为多少， 仍然可以得到弹簧两端受力大小相等。 由于弹簧弹力与 施加在弹簧上的外力 F 是作用力与反作用的关系，因此，弹簧的弹力也处处相等，与静止情况没有 区别。在题目所述四种情况中，由于弹簧的右端受到大小皆为 F 的拉力作用，且弹簧质量都为零， 根据作用力与反作用力关系，弹簧产生的弹力大小皆为 F，又由四个弹簧完全相同，根据胡克定律， 它们的伸长量皆相等，所以正确选项为 D。 2 用如图 1.16 所示的装置可以测量汽车在水平路面上做匀加速直线运动的加速度。该装置是在矩 形箱子的前、后壁上各安装一个由力敏电阻组成的压力传感器。用两根相同的轻弹簧
25、夹着一个 质量为 2.0kg 的滑块，滑块可无摩擦的滑动，两弹簧的另一端分别压在传感器 a、b 上，其压力 大小可直接从传感器的液晶显示屏上读出。 现将装置沿运动方向固定在汽车上， 传感器 b在前， 传感器 a 在后，汽车静止时，传感器 a、b 的示数均为 10N（取） （1）若传感器 a 的示数为 14N、b 的示数为 6.0N，求此时汽车的加速度大小和方向。 （2）当汽车以怎样的加速度运动时，传感器 a 的示数为零。 图 1.16 解析： （1）， a1的方向向右或向前。 （2）根据题意可知，当左侧弹簧弹力时，右侧弹簧的弹力 代入数据得，方向向左或向后 3 如图 1.17 所示，一根轻弹簧
26、上端固定在 O 点，下端系一个钢球 P，球处于静止状态。现对球施 加一个方向向右的外力 F，吏球缓慢偏移。若外力 F 方向始终水平，移动中弹簧与竖直方向的 夹角且弹簧的伸长量不超过弹性限度，则下面给出弹簧伸长量 x 与的函数关系图 象中，最接近的是（） 图 1.17 答案：D 第第二二章章 圆圆周周运运动动 解解题题模模型型： 一一、水水平平方方向向的的圆圆盘盘模模型型 1 如图 1.01 所示，水平转盘上放有质量为 m 的物块，当物块到转轴的距离为 r 时，连接物块和转 轴的绳刚好被拉直（绳上张力为零） 。物体和转盘间最大静摩擦力是其正压力的倍，求： （1）当转盘的角速度时，细绳的拉力。 （
27、2）当转盘的角速度时，细绳的拉力。 图 2.01 解析：设转动过程中物体与盘间恰好达到最大静摩擦力时转动的角速度为，则 ，解得。 （1）因为，所以物体所需向心力小于物体与盘间的最大摩擦力，则物与盘间 还未到最大静摩擦力，细绳的拉力仍为 0，即。 （2）因为，所以物体所需向心力大于物与盘间的最大静摩擦力，则细绳将对 物体施加拉力，由牛顿的第二定律得：，解得。 2 如图 2.02 所示，在匀速转动的圆盘上，沿直径方向上放置以细线相连的 A、B 两个小物块。A 的质量为，离轴心，B 的质量为，离轴心，A、B 与 盘面间相互作用的摩擦力最大值为其重力的 0.5 倍，试求： （1） 当圆盘转动的角速度为
28、多少时， 细线上开始出现张力？ （2）欲使 A、B 与盘面间不发生相对滑动，则圆盘转动的最大 角速度为多大？（） 图 2.02 （1）当圆盘转动的角速度为多少时，细线上开始出现张力？ （ 2） 欲 使 A、 B 与 盘 面 间 不 发 生 相 对 滑 动 ， 则 圆 盘 转 动 的 最 大 角 速 度 为 多 大 ？ （） 解析： （1）较小时，A、B 均由静摩擦力充当向心力，增大，可知，它们受到 的静摩擦力也增大，而，所以 A 受到的静摩擦力先达到最大值。再增大，AB 间绳子开始 受到拉力。 由，得： （2）达到后，再增加，B 增大的向心力靠增加拉力及摩擦力共同来提供，A 增大的向 心力靠增
29、加拉力来提供，由于 A 增大的向心力超过 B 增加的向心力，再增加，B 所受摩擦力逐渐 减小，直到为零，如再增加，B 所受的摩擦力就反向，直到达最大静摩擦力。如再增加，就不 能维持匀速圆周运动了，A、B 就在圆盘上滑动起来。设此时角速度为，绳中张力为，对 A、 B 受力分析： 对 A 有 对 B 有 联立解得： 3 如图2.03所示， 两个相同材料制成的靠摩擦传动的轮A和轮B水平放置， 两轮半径， 当主动轮 A 匀速转动时，在 A 轮边缘上放置的小木块恰能相对静止在 A 轮边缘上。若将小木块 放在 B 轮上，欲使木块相对 B 轮也静止，则木块距 B 轮转轴的最大距离为（） A.B.C.D. 图
30、 2.03 答案：C 二二、行行星星模模型型 1 已知氢原子处于基态时，核外电子绕核运动的轨道半径，则氢原子处于量子 数1、2、3，核外电子绕核运动的速度之比和周期之比为： （） A.； B. C. D. 以上答案均不对 解解析析：根据经典理论，氢原子核外电子绕核作匀速率圆周运动时，由库仑力提供向心力。 即，从而得 线速度为 周期为 又根据玻尔理论，对应于不同量子数的轨道半径与基态时轨道半径 r1有下述关系式： 。 由以上几式可得v的通式为： 所以电子在第 1、2、3 不同轨道上运动速度之比为： 而周期的通式为： 所以，电子在第 1、2、3 不同轨道上运动周期之比为： 由此可知，只有选项 B
31、是正确的。 2 卫星做圆周运动，由于大气阻力的作用，其轨道的高度将逐渐变化（由于高度变化很缓慢，变 化过程中的任一时刻，仍可认为卫星满足匀速圆周运动的规律） ，下述卫星运动的一些物理量的 变化正确的是： （） A. 线速度减小B. 轨道半径增大C. 向心加速度增大D. 周期增大 解解析析：假设轨道半径不变，由于大气阻力使线速度减小，因而需要的向心力减小，而提供向心 力的万有引力不变，故提供的向心力大于需要的向心力，卫星将做向心运动而使轨道半径减小，由 于 卫 星 在 变 轨 后的 轨 道 上 运 动 时， 满 足， 故增 大 而 T 减 小 ， 又 ，故a增大，则选项 C 正确。 3 经过用天
32、文望远镜长期观测，人们在宇宙中已经发现了许多双星系统，通过对它们的研究，使 我们对宇宙中物质的存在形式和分布情况有了较深刻的认识，双星系统由两个星体组成，其中 每个星体的线度都远小于两星体之间的距离，一般双星系统距离其他星体很远，可以当作孤立 系统来处理。现根据对某一双星系统的光度学测量确定；该双星系统中每个星体的质量都是 M， 两者相距 L，它们正围绕两者连线的中点做圆周运动。 （1）试计算该双星系统的运动周期； （2）若实验中观测到的运动周期为，且。 为了理解与的不同，目前有一种流行的理论认为，在宇宙中可能存在一种望远镜观测 不到的暗物质。作为一种简化模型，我们假定在以这两个星体连线为直径
33、的球体内均匀分布这种暗 物质。若不考虑其他暗物质的影响，请根据这一模型和上述观测结果确定该星系间这种暗物质的密 度。 答答案案： （1）双星均绕它们连线的中点做圆周运动，设运动的速率为 v，得： （2）根据观测结果，星体的运动周期： 这种差异是由双星系统（类似一个球）内均匀分布的暗物质引起的，均匀分布双星系统内的暗物 质对双星系统的作用，与一个质点（质点的质量等于球内暗物质的总质量且位于中点 O 处）的 作用相同。考虑暗物质作用后双星的速度即为观察到的速度，则有： 因为周长一定时，周期和速度成反比，得： 有以上各式得 设所求暗物质的密度为，则有 第 1页 第第三三章章 功功和和能能 一一、水水
34、平平方方向向的的弹弹性性碰碰撞撞 1 在光滑水平地面上有两个相同的弹性小球 A、B，质量都为 m，现 B 球静止，A 球向 B 球运动， 发生正碰。已知碰撞过程中总机械能守恒，两球压缩最紧时的弹性势能为 EP，则碰前 A 球的速 度等于（） A.B.C.D. 解析：设碰前 A 球的速度为 v0，两球压缩最紧时的速度为 v，根据动量守恒定律得出 ，由能量守恒定律得，联立解得，所以正确选项 为 C。 2 在原子核物理中，研究核子与核子关联的最有效途径是“双电荷交换反应” 。这类反应的前半部 分过程和下述力学模型类似，两个小球 A 和 B 用轻质弹簧相连，在光滑的水平直轨道上处于静 止状态， 在它们
35、左边有一垂直于轨道的固定挡板P， 右边有一小球C 沿轨道以速度v0射向B球， 如图 3.01 所示，C 与 B 发生碰撞并立即结成一个整体 D，在它们继续向左运动的过程中，当弹 簧长度变到最短时，长度突然被锁定，不再改变，然后，A 球与挡板 P 发生碰撞，碰后 A、D 都静止不动，A 与 P 接触而不粘连，过一段时间，突然解除锁定（锁定及解除锁定均无机械能 损失） ，已知 A、B、C 三球的质量均为 m。 图 3.01 （1）求弹簧长度刚被锁定后 A 球的速度。 （2）求在 A 球离开挡板 P 之后的运动过程中，弹簧的最大弹性势能。 解析： （1）设 C 球与 B 球粘结成 D 时，D 的速度
36、为 v1，由动量守恒得当弹 簧压至最短时，D 与 A 的速度相等，设此速度为 v2，由动量守恒得，由以上两式求得 A 的速度。 （ 2） 设 弹 簧 长 度 被 锁 定 后 ， 贮 存 在 弹 簧 中 的 势 能 为 EP， 由 能 量 守 恒 ， 有 撞击 P 后，A 与 D 的动能都为零，解除锁定后，当弹簧刚恢复到自然长 度时，势能全部转弯成 D 的动能，设 D 的速度为 v3，则有 以后弹簧伸长，A 球离开挡板 P，并获得速度，当 A、D 的速度相等时，弹簧伸至最长，设此 时的速度为 v4，由动量守恒得 当 弹 簧 伸 到 最 长 时 ， 其 势 能 最 大 ， 设 此 势 能 为 EP
37、， 由 能 量 守 恒 ， 有 解以上各式得。 3 图 3.02 中，轻弹簧的一端固定，另一端与滑块 B 相连，B 静止在水平直导轨上，弹簧处在原长 状态。另一质量与 B 相同滑块 A，从导轨上的 P 点以某一初速度向 B 滑行，当 A 滑过距离 l1 时，与 B 相碰，碰撞时间极短，碰后 A、B 紧贴在一起运动，但互不粘连。已知最后 A 恰好返 回出发点 P 并停止，滑块 A 和 B 与导轨的滑动摩擦因数都为，运动过程中弹簧最大形变量为 l2，重力加速度为 g，求 A 从 P 出发的初速度 v0。 图 3.02 解析：令 A、B 质量皆为 m，A 刚接触 B 时速度为 v1（碰前） 由功能关
38、系，有 A、B 碰撞过程中动量守恒，令碰后 A、B 共同运动的速度为 v2 有 碰后 A、B 先一起向左运动，接着 A、B 一起被弹回，在弹簧恢复到原长时，设 A、B 的共同 速度为 v3，在这一过程中，弹簧势能始末状态都为零，利用功能关系，有 此后 A、B 开始分离，A 单独向右滑到 P 点停下，由功能关系有 由以上各式，解得 4 用轻弹簧相连的质量均为 2kg 的 A、B 两物块都以的速度在光滑水平地面上运动，弹 簧处于原长，质量为 4kg 的物体 C 静止在前方，如图 3.03 所示，B 与 C 碰撞后二者粘在一起运 动。求在以后的运动中， （1）当弹簧的弹性势能最大时物体 A 的速度多
39、大？ （2）弹性势能的最大值是多大？ （3）A 的速度有可能向左吗？为什么？图 3.03 解析： （1）当 A、B、C 三者的速度相等时弹簧的弹性势能最大，由于 A、B、C 三者组成的系 统动量守恒，有 解得： （2）B、C 碰撞时 B、C 组成的系统动量守恒，设碰后瞬间 B、C 两者速度为，则 设物块 A 速度为 vA时弹簧的弹性势能最大为 EP，根据能量守恒 （3）由系统动量守恒得 设 A 的速度方向向左，则 则作用后 A、B、C 动能之和 实际上系统的机械能 根据能量守恒定律，是不可能的。故 A 不可能向左运动。 5 如图 3.04 所示，在光滑水平长直轨道上，A、B 两小球之间有一处于
40、原长的轻质弹簧，弹簧右 端与 B 球连接，左端与 A 球接触但不粘连，已知，开始时 A、B 均静止。 在 A 球的左边有一质量为的小球 C 以初速度向右运动，与 A 球碰撞后粘连在一起，成 为一个复合球 D，碰撞时间极短，接着逐渐压缩弹簧并使 B 球运动，经过一段时间后，D 球与 弹簧分离（弹簧始终处于弹性限度内） 。 图 3.04 （1）上述过程中，弹簧的最大弹性势能是多少？ （2）当弹簧恢复原长时 B 球速度是多大？ （3）若开始时在 B 球右侧某位置固定一块挡板（图中未画出） ，在 D 球与弹簧分离前使 B 球 与挡板发生碰撞，并在碰后立即将挡板撤走，设 B 球与挡板碰撞时间极短，碰后
41、B 球速 度大小不变，但方向相反，试求出此后弹簧的弹性势能最大值的范围。 答案： （1）设 C 与 A 相碰后速度为 v1，三个球共同速度为 v2时，弹簧的弹性势能最大，由动 量守恒，能量守恒有： （2）设弹簧恢复原长时，D 球速度为，B 球速度为 则有 （3）设 B 球与挡板相碰前瞬间 D、B 两球速度 与挡板碰后弹性势能最大，D、B 两球速度相等，设为 当时，最大 时，最小， 所以 二二、水水平平方方向向的的非非弹弹性性碰碰撞撞 1 如图 3.05 所示，木块与水平弹簧相连放在光滑的水平面上，子弹沿水平方向射入木块后留在木 块内（时间极短） ，然后将弹簧压缩到最短。关于子弹和木块组成的系统
42、，下列说法真确的是 A 从子弹开始射入到弹簧压缩到最短的过程中系统动量守恒 B 子弹射入木块的过程中，系统动量守恒 C 子弹射入木块的过程中，系统动量不守恒 D 木块压缩弹簧的过程中，系统动量守恒 图 3.05 答案：B 2 如图 3.06 所示，一个长为 L、质量为 M 的长方形木块，静止在光滑水平面上，一个质量为 m 的 物块（可视为质点） ，以水平初速度从木块的左端滑向右端，设物块与木块间的动摩擦因数为 ，当物块与木块达到相对静止时，物块仍在长木块上，求系统机械能转化成内能的量 Q。 图 3.06 解析：可先根据动量守恒定律求出 m 和 M 的共同速度，再根据动能定理或能量守恒求出转化为
43、 内能的量 Q。 对物块，滑动摩擦力做负功，由动能定理得： 即对物块做负功，使物块动能减少。 对木块，滑动摩擦力对木块做正功，由动能定理得，即对木块做正功，使 木块动能增加，系统减少的机械能为： 本题中，物块与木块相对静止时，则上式可简化为： 又以物块、木块为系统，系统在水平方向不受外力，动量守恒，则： 联立式、得： 故系统机械能转化为内能的量为： 3 如图 3.07 所示，光滑水平面地面上放着一辆两端有挡板的静止的小车，车长 L1m，一个大小 可忽略的铁块从车的正中央以速度向右沿车滑行。铁块与小车的质量均等于 m，它 们之间的动摩擦因数，铁块与挡板碰撞过程中机械能不损失，且碰撞时间可以忽略不
44、 计，取，求从铁快由车的正中央出发到两者相对静止需经历的时间。 图 3.07 答案： 4 如图 3.08 所示，电容器固定在一个绝缘座上，绝缘座放在光滑水平面上，平行板电容器板间的 距离为 d，右极板上有一小孔，通过孔有一左端固定在电容器左极板上的水平绝缘光滑细杆，电 容器极板以及底座、绝缘杆总质量为 M，给电容器充电后，有一质量为 m 的带正电小环恰套在 杆上以某一初速度 v0对准小孔向左运动，并从小孔进入电容器，设带电环不影响电容器板间电 场分布。带电环进入电容器后距左板的最小距离为 0.5d，试求： （1）带电环与左极板相距最近时的速度 v； （2）此过程中电容器移动的距离 s。 （3）
45、此过程中能量如何变化？ 图 3.08 答案： （1）带电环进入电容器后在电场力的作用下做初速度为 v0的匀减速直线运动，而电容器 则在电场力的作用下做匀加速直线运动， 当它们的速度相等时， 带电环与电容器的左极板相距最近， 由系统动量守恒定律可得： 动量观点： 力与运动观点： 设电场力为 F （2）能量观点（在第（1）问基础上） ： 对 m： 对 M： 所以 运动学观点： 对 M：，对 m： ，解得： 带电环与电容器的速度图像如图 5 所示。由三角形面积可得： 图 5 解得： （3）在此过程，系统中，带电小环动能减少，电势能增加，同时电容器等的动能增加，系统中 减少的动能全部转化为电势能。 三
46、三、人人船船模模型型 1 如图 3.09 所示，长为 L、质量为 M 的小船停在静水中，质量为 m 的人从静止开始从船头走到船 尾，不计水的阻力，求船和人对地面的位移各为多少？ 图 3.09 解析：以人和船组成的系统为研究对象，在人由船头走到船尾的过程中，系统在水平方向不受外 力作用，所以整个系统在水平方向动量守恒。当人起步加速前进时，船同时向后做加速运动；人匀 速运动，则船匀速运动；当人停下来时，船也停下来。设某时刻人对地的速度为 v，船对地的速度 为 v，取人行进的方向为正方向，根据动量守恒定律有：，即 因为人由船头走到船尾的过程中， 每一时刻都满足动量守恒定律， 所以每一时刻人的速度与船
47、的 速度之比，都与它们的质量之比成反比。因此人由船头走到船尾的过程中，人的平均速度 v 与船的 平均速度 v 也与它们的质量成反比，即，而人的位移，船的位移，所以船 的位移与人的位移也与它们的质量成反比，即 式是“人船模型”的位移与质量的关系，此式的适用条件：原来处于静止状态的系统，在系 统发生相对运动的过程中，某一个方向的动量守恒。由图 1 可以看出： 由两式解得 2 如图 3.10 所示，质量为 M 的小车，上面站着一个质量为 m 的人，车以 v0的速度在光滑的水平 地面上前进，现在人用相对于小车为 u 的速度水平向后跳出后，车速增加v，则计算v 的式 子正确的是： （） A. B. C.
48、 D.图 3.10 答案：CD 3 如图 3.11 所示，一排人站在沿 x 轴的水平轨道旁，原点 O 两侧的人的序号都记为 n（n1，2， 3，） ，每人只有一个沙袋，x0 一侧的沙袋质量为 14 千克，x0,vn0 M-(n+1)m0 代入数字,得 n 应为整数,故 n=3,即车上堆积 3 个沙袋后车就反向滑行. (2)车自反向滑行直到接近 x0,vn0 即 M+3m-nm0 M+3m-(n+1)m0 n=8 时,车停止滑行,即在 x0 一侧第 8 个沙袋扔到车上后车就停住.故车上最终共有大 小沙袋 3+8=11 个. 四四、爆爆炸炸反反冲冲模模型型 1 如图 3.12 所示海岸炮将炮弹水平
49、射出，炮身质量（不含炮弹）为 M，每颗炮弹质量为 m，当炮 身固定时，炮弹水平射程为 s，那么当炮身不固定时，发射同样的炮弹，水平射程将是多少？ 图 3.12 解析：两次发射转化为动能的化学能 E 是相同的。第一次化学能全部转化为炮弹的动能；第二 次化学能转化为炮弹和炮身的动能， 而炮弹和炮身水平动量守恒， 由动能和动量的关系式 知 ， 在 动 量 大 小 相 同 的 情 况 下 ， 物 体 的 动 能 和 质 量 成 反 比 ， 炮 弹 的 动 能 ，由于平抛的射高相等， 两次射程的比等于抛出时初速 度之比，即：，所以。 思考：有一辆炮车总质量为 M，静止在水平光滑地面上，当把质量为 m 的
50、炮弹沿着与水平面成 角发射出去，炮弹对地速度为，求炮车后退的速度。 提示：系统在水平面上不受外力，故水平方向动量守恒，炮弹对地的水平速度大小为， 设炮车后退方向为正方向，则 2 在光滑地面上，有一辆装有平射炮的炮车， 平射炮固定在炮车上， 已知炮车及炮身的质量为 M， 炮弹的质量为 m；发射炮弹时，炸药提供给炮身和炮弹的总机械能 E0是不变的。若要使刚发射 后炮弹的动能等于 E0，即炸药提供的能量全部变为炮弹的动能，则在发射前炮车应怎样运动？ 答案：若在发射前给炮车一适当的初速度 v0，就可实现题述的要求。 在这种情况下，用 v 表示发射后炮弹的速度，V 表示发射后炮车的速度，由动量守恒可知：
