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例谈动量守恒中系统的选择

【 发布作者 北京家教】

在学习动量守恒定律之后,会接触到多个物体参与作用的动量守恒问题。系统的动量守恒不是系统内所有物体的动量不变,而是系统内每个物体动量的矢量和不变。对于多个物体参与作用,要善于应用整体动量守恒;要善于选择合理系统;要善于选择相互作用过程。

一、多个物体发生作用存在较明显的先后

例1 (2001年全国高考题)质量为m的小船以速度v0行驶,船上有两个质量皆为m的小孩a和b,分别静止站在船头和船尾。现小孩a沿水平方向以速率v(相对静止水面)向前跃入水中,然后小孩b沿水平方向以同一速率v(相对于静止水面)向后跃入水中。求小孩b跃出后小船的速度。

分析 小船匀速行驶,所受合外力为零,人与船在水平方向上发生相互作用,满足动量守恒定律。

方法1 以小孩a和船及船上的小孩b为一系统,设小孩a跃出后小船向前行驶的速度为v1,根据动量守恒定律有

,①

又以小孩b和船为一系统,设小孩b跃出后小船向前行驶的速度为v2,根据动量守恒定律有

。②

由①②可解得

方法2 由于两小孩跃出时对水面有相同速率,故依次跃出和同时跃出产生的效果相同,即可相当a、b同时与船发生相互作用,设小孩a、b跃出后小船向前行驶的速度为v2,根据动量守恒定律有

解得

显然,用整体动量守恒得出结论和选择分过程为系统得出的结论相同,但用整体动量守恒无须求出a小孩跃出后小船的速度,直接应用几个物体整体动量守恒,不仅使解题方便简洁,还能加深对动量守恒定律的认识和理解。

变题 若本题中,小孩a是以相对船沿水平方向的速度v向前跃入水中,然后小孩b沿水平方向以相对船的速度v向后跃入水中,则船的速度又是多少?

解析 以小孩a和船及船上的小孩b为一系统,设小孩a跃出后小船向前运动的速度为v1,由动量守恒定律,有

,①

以小孩b与小船为一系统,设小孩b跃出后小船向前运动的速度为v2,由动量守恒定律有

。②

由①②得

小孩a、b在前后跃入水中的情景不相同,前者问题中小孩么b都是以相对静止的水面的速度跃入水中,后者问题中小孩a、b分别以相对船的速度v跃入水中,导致小船前后速度不相同。因此,发生相互作用的多个物体,先后作用产生的效果相同,可以应用整体动量守恒;先后产生的效果不相同,则不能应用整体动量守恒,而应多考虑分系统,分过程动量守恒。

二、多个物体相互作用,没有明显的先后或同时进行

例2 两只小船平行逆向航行,船和船上的麻袋总质量分别为m=500kg ,m=1000kg