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7.3 子弹打木块

物理模型与基本运动 · 高一
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 子弹射入木块并相对静止的过程,是动量守恒与能量转化(机械能损失)的典型模型。

从哪来 该模型建立在 4.1 碰撞分类 之上。子弹打入木块属于完全非弹性碰撞,需结合动量守恒定律(源自 3.3 探究加速度与力、质量的关系 中力与运动关系的延伸)及能量守恒观点进行分析。

为什么 子弹打入木块瞬间,内力(摩擦力)远大于外力(重力、支持力),故系统动量守恒。但子弹与木块间存在相对滑动,摩擦力做负功将部分机械能转化为内能(热量)。因此,初动能不等于末动能,而是“末动能 + 系统产生的内能”。内能大小等于摩擦力乘以相对位移($Q = f \cdot \Delta x$)。

“人车模型”类比法** **适合:形象思维强、对抽象公式恐惧的学生** 把子弹看作“人”,木块看作“车”。人跳上静止的车,两者最终速度相同(共速)。 1. **动量角度
人跳车过程极快,忽略地面摩擦,人和车的总动量不变。 2. 能量角度:人跳上去时脚底打滑,摩擦生热。这部分热量等于人损失的动能减去车获得的动能。 3. 关键点:相对位移就是脚在车上滑过的距离。
“双过程”拆解法** **适合:逻辑严密、喜欢分步推导的学生** 将过程拆分为两个独立但关联的阶段: 1. **动量守恒阶段
$mv_0 = (M+m)v$。求出共同速度 $v$。 2. 能量守恒阶段:$E_{k0} = E_{k末} + Q$。其中 $Q = f \cdot L_{相对}$。 强调:$L_{相对}$ 是子弹相对于木块钻入的深度,而木块对地移动的距离 $S$ 是另一回事。两者通过运动学公式或动能定理关联。
“极值与临界”思维法** **适合:基础扎实、准备竞赛或高阶思维的学生** 讨论子弹是否穿出木块: 1. **未穿出
若子弹相对木块速度减为0时,相对位移 $L_{相对} < L_{木板}$,则子弹留在木块中,动量守恒,能量损失 $Q = f L_{相对}$。 2. 穿出:若子弹相对木块速度减为0时,相对位移 $L_{相对} > L_{木板}$,则子弹穿出。此时需分别对子弹和木块列动能定理,或考虑穿出后的速度关系。 核心判据:比较“恰好共速时的相对位移”与“木板长度”的大小。
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练一道
基础题
质量 $m=10g$ 的子弹以 $v_0=400m/s$ 水平射入静止在光滑水平面上、质量 $M=990g$ 的木块,并留在其中。求:(1) 共同速度;(2) 系统损失的机械能。
变式
上题中,若木块长度为 $L=0.5m$,且子弹恰好穿透木块(即穿出时子弹与木块速度相同,但这通常指“恰好不穿出”的临界情况;若题目意为“穿出”,则需给出阻力或穿出后速度。此处按“恰好穿透”理解,即相对位移等于板长,且末速度相同——注:物理上“恰好穿透”通常指子弹到达另一端时相对速度为0,即共速。若真穿出,末速度不同。此处设定为:子弹穿透木块,已知木块长 $L=0.5m$,阻力恒定,求子弹穿出木块时的速度 $v_1$ 和木块速度 $v_2$。 假设阻力 $f=100N$)。
试试手自己判
检测题
质量 $m$ 的子弹以速度 $v_0$ 射入静止在光滑水平面上、质量 $M$ 的木块,最终子弹留在木块中。若木块长度为 $L$,子弹恰好穿透木块(即穿出时两者速度相同,此为理论极限情况,实际穿透后速度不同,此处考察恰好不穿出的临界状态,即相对位移为 $L$ 时共速),求子弹受到的平均阻力 $f$。
看答案和判分标准
答案:$$f = \frac{M m v_0^2}{2 L (M+m)}$$
判对标准:
1. 正确列出动量守恒方程求出共速 $v = \frac{m v_0}{M+m}$。
2. 正确列出能量守恒方程:$\frac{1}{2}mv_0^2 - \frac{1}{2}(M+m)v^2 = f L$。
3. 代数推导正确,最终表达式中分母包含 $(M+m)$ 且分子包含 $Mm$。
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