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5.3 位移关系

动量守恒定律及其在碰撞与反冲中的应用 · 高二
先确认一下:这一关能不能学
上面这几节是它的地基 —— 没通的话,补完再回来,比硬啃快得多。
讲清楚它是什么

定义 在碰撞或相互作用过程中,系统内各物体相对位移与绝对位移之间的几何约束关系。

从哪来 基于 6.2 子弹打木块 模型中的相对运动分析,结合 5.1 动量与动能公式 中的能量转化逻辑,以及 5.3 碰后速度关系 确定的末状态,推导出的位移约束条件。

为什么 位移是矢量,但在处理“子弹打木块”或“滑块滑上木板”这类非完全弹性碰撞问题时,核心物理图像是相对运动。 1. 几何约束:物体A在物体B上滑动,A相对于B的位移 $\Delta x_{rel}$ 等于A对地位移 $x_A$ 减去B对地位移 $x_B$(即 $\Delta x_{rel} = x_A - x_B$)。 2. 能量桥梁:摩擦力做功 $W_f = f \cdot \Delta x_{rel}$ 直接决定了系统机械能的损失(转化为内能)。 3. 逻辑链条:仅知道初末速度(5.3)和动量守恒(7.2)只能求出速度,无法求出过程量(如摩擦生热、木板长度)。必须引入位移关系,将“速度-时间”积分得到的位移与“力-位移”积分得到的功联系起来,才能解出几何尺寸或能量损耗。

适合:形象思维强、对抽象公式排斥的学生** **核心比喻:“传送带上的包裹”** 想象你站在静止的传送带(木板)上,向前走了10米(子弹位移)。与此同时,传送带向后滑了2米(木板位移)。 * 你相对于地面的位移是 +10m。 * 传送带相对于地面的位移是 -2m。 * 你相对于传送带滑过的距离(即摩擦生热的距离)是多少?是 $10 - (-2) = 12$ 米。 **结论
相对位移 = 物体对地位移 - 载体对地位移。这个“12米”就是摩擦生热的“燃料”,而不是你走的10米。
适合:逻辑严密、喜欢数学推导的学生** **核心逻辑:微元法积分** 设子弹速度 $v_1(t)$,木板速度 $v_2(t)$,且 $v_1 > v_2$。 在极短时间 $dt$ 内: 子弹对地位移 $dx_1 = v_1 dt$ 木板对地位移 $dx_2 = v_2 dt$ 相对位移微元 $d(\Delta x) = dx_1 - dx_2 = (v_1 - v_2) dt$ 对整个相互作用过程积分: $\Delta x_{rel} = \int (v_1 - v_2) dt = \int v_1 dt - \int v_2 dt = x_1 - x_2$ **结论
相对位移严格等于两者对地位移之差。这是由运动学定义直接导出的恒等式,不依赖牛顿定律,是纯几何关系。
适合:擅长能量守恒、喜欢“黑箱”思维的学生** **核心逻辑:能量守恒的“缺口”** 系统动能减少量 $\Delta E_k$ 去哪了?变成了内能 $Q$。 公式:$Q = f \cdot \Delta x_{rel}$ 如果我们不知道 $\Delta x_{rel}$,我们就无法计算 $Q$,也就无法验证能量是否守恒。 **逆向思维
已知初末状态(5.3 碰后速度关系),我们可以算出 $\Delta E_k$。如果题目给了摩擦系数 $f$,我们就可以反推 $\Delta x_{rel} = \Delta E_k / f$。 关键:$\Delta x_{rel}$ 是连接“动力学(力)”和“运动学(位移)”的唯一桥梁。没有它,能量守恒方程中少了一个关键变量。
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练一道
基础题
光滑水平面上,质量 $M=2\text{kg}$ 的木板静止,质量 $m=1\text{kg}$ 的子弹以 $v_0=10\text{m/s}$ 水平射入木板并留在其中(完全非弹性碰撞)。已知子弹与木板间平均摩擦力 $f=10\text{N}$。求子弹在木板中钻入的深度 $d$。
变式
同上模型,但子弹穿过木板未留下。已知子弹穿出后速度 $v_1=4\text{m/s}$,木板获得速度 $v_2=2\text{m/s}$。求木板长度 $L$(即子弹相对木板滑行的最大距离)。
试试手自己判
检测题
光滑水平面上,质量 $m=1\text{kg}$ 的滑块以 $v_0=6\text{m/s}$ 滑上静止的质量 $M=2\text{kg}$ 的长木板。滑块与木板间的动摩擦因数 $\mu=0.2$,重力加速度 $g=10\text{m/s}^2$。若滑块最终未滑出木板,求滑块在木板上滑行的距离 $s$。
看答案和判分标准
答案:$s = 2\text{m}$
判对标准:
1. 动量守恒步骤:正确列出 $mv_0 = (M+m)v_{common}$,解得 $v_{common} = 2\text{m/s}$。(占40%)
2. 能量守恒步骤:正确列出 $\mu m g s = \frac{1}{2}mv_0^2 - \frac{1}{2}(M+m)v_{common}^2$。(占40%)
3. 计算结果:代入数据计算正确,得出 $s=2\text{m}$。(占20%)
*若学生使用牛顿第二定律+运动学公式($v^2-v_0^2=2ax$)分别求出两者位移再相减,且结果正确,也判对。
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