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7.2 完全留在木块中

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 子弹射入木块未穿出,二者以共同速度运动,属于完全非弹性碰撞,系统动量守恒但机械能损失最大。

从哪来 本知识点建立在 6.2 子弹打木块 和 7.2 系统动量守恒 的基础之上,同时需要运用 5.1 动量与动能公式 进行定量计算,并依据 3.4 动量守恒的判断 确认守恒条件。

为什么 “完全留在木块中”意味着子弹与木块发生了相对静止,即二者最终速度相同($v_{bullet} = v_{block} = v_{common}$)。 从物理机制看,子弹进入木块后受到巨大的阻力,做减速运动;木块受到子弹的反作用力,做加速运动。当两者速度相等时,相对运动停止,摩擦力消失(或变为静摩擦,但在水平面上通常视为无相对滑动趋势后的状态),此后二者作为一个整体共同运动。 由于碰撞过程中存在剧烈的摩擦生热,机械能转化为内能,且这种转化是不可逆的,因此这是机械能损失最大的一种碰撞形式。根据动量定理,系统所受合外力(如水平面光滑则外力为零)远小于内力(子弹与木块间的相互作用力),故系统动量守恒。

讲法
适合类型:形象思维强、喜欢直观演示的学生 讲法:橡皮泥撞击实验 取一块橡皮泥(模拟子弹)和一块较重的泡沫块(模拟木块)。 1. 将橡皮泥粘在泡沫块上,一起扔出去,观察它们一起运动。 2. 解释:橡皮泥“粘”在泡沫上,就像子弹“留”在木块里。 3. 强调:在这个过程中,橡皮泥的速度减小了,泡沫的速度增加了,最后它们速度一样。 4. 引入公式:$m v_0 = (m + M) v$。告诉学生,这就是“动量守恒”在“粘在一起”情况下的体现。 5. 能量视角:问学生“橡皮泥变形了没有?”“热了没有?”引导出机械能转化为内能。
讲法
适合类型:逻辑严密、擅长数学推导的学生 讲法:极限法与不等式分析 1. 回顾弹性碰撞公式:$v_1' = \frac{m-M}{m+M}v_0$, $v_2' = \frac{2m}{m+M}v_0$。 2. 对比完全非弹性碰撞:$v_{common} = \frac{m}{m+M}v_0$。 3. 推导能量损失:$\Delta E = \frac{1}{2}mv_0^2 - \frac{1}{2}(m+M)v_{common}^2 = \frac{mM}{2(m+M)}v_0^2$。 4. 证明:对于任意 $m, M > 0$,$\Delta E > 0$,且该损失值是碰撞中可能的最大损失值。 5. 结论:只要“留在木块中”,就必然对应这个特定的末速度公式和最大的能量损失公式。
适合类型:容易混淆概念、需要清晰步骤指引的学生** **讲法:三步解题模板** 遇到“子弹打入木块未穿出”的问题,严格按以下三步走: 1. **判守恒
水平方向不受外力?是 $\rightarrow$ 动量守恒。 2. 定末态:题目说“留在” $\rightarrow$ 末速度相同,设为 $v$。 3. 列方程: - 动量:$m v_0 = (m + M) v$ - 能量(若求热量/深度):$Q = \frac{1}{2}mv_0^2 - \frac{1}{2}(m+M)v^2 = f \cdot L$ ($L$为相对位移,即木块长度或嵌入深度) - 警告:千万不要用 $v^2 = v_0^2 + 2ax$ 直接算,因为加速度不是恒定的(阻力可能变化),且这是变加速过程,必须用能量守恒或动量定理。
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练一道
基础题
质量为 $m=10g$ 的子弹以 $v_0=400m/s$ 的水平速度射入静止在光滑水平面上、质量 $M=990g$ 的木块中,并留在木块中。求: (1) 子弹和木块的共同速度 $v$; (2) 此过程中系统损失的机械能 $\Delta E$。
变式
同上条件,若木块放在粗糙水平面上,动摩擦因数 $\mu=0.2$,子弹射入木块后,木块在地面上滑行了 $s=1m$ 后停止。求子弹射入木块过程中产生的热量 $Q$。(取 $g=10m/s^2$)
试试手自己判
检测题
质量为 $m$ 的子弹以速度 $v_0$ 水平射入静止在光滑水平面上质量为 $M$ 的木块中,并留在木块中。若将木块换成质量为 $2M$ 的木块,其他条件不变,则子弹射入后,系统损失的机械能 $\Delta E'$ 与原来 $\Delta E$ 的关系是? A. $\Delta E' = \Delta E$ B. $\Delta E' > \Delta E$ C. $\Delta E' < \Delta E$ D. 无法确定
看答案和判分标准
答案:B
判对标准:
学生能正确推导出 $\Delta E = \frac{mM}{2(m+M)}v_0^2$ 或 $\Delta E = \frac{1}{2}mv_0^2 \cdot \frac{M}{m+M}$。
分析函数 $f(M) = \frac{M}{m+M} = \frac{1}{1 + m/M}$。
当 $M$ 增大时,$m/M$ 减小,分母减小,分数值增大。
因此 $\Delta E$ 随 $M$ 增大而增大。
所以 $\Delta E' > \Delta E$。
若学生仅凭直觉选择,需检查其是否进行了定量推导或定性分析(木块越重,共同速度越小,末动能越小,初动能不变,故损失动能越多)。
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