如图5-15所示,甲、乙两小孩各乘一辆冰车在水平冰面上游戏。甲和他的冰车总质量共为30kg,乙和他的冰车总质量也是30kg。游戏时,甲推着一个质量为15kg的箱子和他一起以2m/s的

首页 > 考试 > 物理 > 高中物理 > 动量守恒定律/2022-11-16 / 加入收藏 / 阅读 [打印]

◎ 题目

如图5-15所示,甲、乙两小孩各乘一辆冰车在水平冰面上游戏。甲和他的冰车总质量共为30kg,乙和他的冰车总质量也是30kg。游戏时,甲推着一个质量为15kg的箱子和他一起以2m/s的速度滑行,乙以同样大小的速度迎面滑来。为了避免相撞,甲突然将箱子滑冰面推给乙,箱子滑到乙处,乙迅速抓住。若不计冰面摩擦,求甲至少以多大速度(相对地)将箱子推出,才能避免与乙相撞?

◎ 答案

v=5.2m/s,方向与甲和箱子初速一致。

◎ 解析

【错解分析】错解: 设甲与他的冰车以及乙与他的冰车的质量为M,箱子的质量为m,开始时他们的速率为v0,为了不与乙相碰。
  错解一:甲必须停止,所以,对甲和他的冰车及箱子,推出前后满足动量守恒,由动量守恒定律:
(M+m)v0=0+mv
  
  错解二:乙接到箱子后停下,所以,对箱子及乙和他的冰车,接到箱子前后动量守恒,设箱子的运动方向为正方向,由动量守恒定律有:
mv-Mv0=0
  
  在此题中,有两个关键问题必须弄清楚,第一,“不相撞”的意义,是否意味着一个物体停下,实际上,不相撞的意义就是两个物体的速度相等(同向情况)。物体停止运动,也不一定就撞不上。如本题错解二。按照错解答案我们可知,当甲用4m/s的速度推箱子,箱子以4m/s的速度迎面向乙滑去,与乙相互作用后,乙与箱子都停下来了。那么,此时甲停了吗?我们可以继续完成本题,设甲推出箱子的速度为v',对甲和箱子,(以甲和箱子的初速度为正),由动量守恒定律有:
(M+m)v0=Mv'+mv
  解得:v'=1m/s。符号为正,说明甲以4m/s的速度推出箱子后继续向前运动,而乙接住箱子后要停下,这样甲就与乙相撞,所以4m/s的速度太小了。结果不符合题目要求。第二个关键在于不仅要不相撞,而且还要求甲推箱子的速度为最小,即若甲用相当大的速度推箱子,乙接到箱子后还会后退,这样就不满足“至少”多大的条件了,错解一即是这样,将所求的数据代入可以得知,乙和箱子将以0.67m/s的速度后退。
  【正确解答】 要想刚好避免相撞,要求乙抓住箱子后与甲的速度正好相等,设甲推出箱子后的速度为v1,箱子的速度为v,乙抓住箱子后的速度为v2
  对甲和箱子,推箱子前后动量守恒,以初速度方向为正,由动量守恒定律:
(M+m)v0= mv+Mv1
  对乙和箱子,抓住箱子前后动量守恒,以箱子初速方向为正,由动量守恒定律有:
mv-Mv0=(m+M)v2
  刚好不相撞的条件是:
v1="v" ③
  联立①②③解得:v=5.2m/s,方向与甲和箱子初速一致。
  【小结】 本题从动量守恒定律的应用角度看并不难,但需对两个物体的运动关系分析清楚(乙和箱子、甲的运动关系如何,才能不相撞)。这就需要我们要将“不相撞”的实际要求转化为物理条件,即:甲、乙可以同方向运动,但只要乙的速度不小于甲的速度,就不可能相撞。  

◎ 知识点

    专家分析,试题“如图5-15所示,甲、乙两小孩各乘一辆冰车在水平冰面上游戏。甲和他的冰车总质量共为30kg,乙和他的冰车总质量也是30kg。游戏时,甲推着一个质量为15kg的箱子和他一起以2m/s的…”主要考查了你对  【动量守恒定律】  等知识点的理解和应用能力。关于这些知识点的“档案”,你可以点击相应的链接进行查看和学习。

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