高三物理复习:动量定理在流体模型中的应用 课件
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模型/题型:应用动量定理处理“流体模型”的冲击力问题一、模型概述1.研究对象:常常需要选取流体为研究对象,如水、空气等.2.研究方法:隔离出一定形状的一部分流体作为研究对象,然后列式求解.3.基本思路(1)在极短时间Δt 内,取一小柱体作为研究对象. (2)求小柱体的体积ΔV =vS Δt(3)求小柱体质量Δm =ρΔV =ρvS Δt(4)求小柱体的动量变化Δp =v Δm =ρv 2S Δt (5)应用动量定理F Δt =Δp二、题型分类处理办法 模型一流体类问题通常液体流、气体流等被广义地视为“流体”,质量具有连续性,通常已知密度ρ建立“柱状”模型,沿流速v 的方向选取一段柱形流体,其横截面积为S模型二 微粒类问题 三、典型例题1.(2016·全国卷Ⅰ·35(2))某游乐园入口旁有一喷泉,喷出的水柱将一质量为M 的卡通玩具稳定地悬停在空中.为计算方便起见,假设水柱从横截面积为S 的喷口持续以速度v 0竖直向上喷出;玩具底部为平板(面积略大于S );水柱冲击到玩具底板后,在竖直方向水的速度变为零,在水平方向朝四周均匀散开.忽略空气阻力.已知水的密度为ρ,重力加速度大小为g .求:(1)喷泉单位时间内喷出的水的质量;(2)玩具在空中悬停时,其底面相对于喷口的高度.答案 (1)ρv 0S (2)v 022g - M 2g2ρ2v 02S2解析 (1)在刚喷出一段很短的Δt 时间内,可认为喷出的水柱保持速度v 0不变. 该时间内,喷出水柱高度Δl =v 0Δt① 喷出水柱质量Δm =ρΔV ② 其中ΔV 为水柱体积,满足ΔV =ΔlS ③由①②③可得:喷泉单位时间内喷出的水的质量为 ΔmΔt=ρv 0S (2)设玩具底板相对于喷口的高度为h 由玩具受力平衡得F 冲=Mg④ 其中,F 冲为水柱对玩具底板的作用力 由牛顿第三定律:F 压=F 冲⑤ 其中,F 压为玩具底板对水柱的作用力,设v ′为水柱到达玩具底面时的速度由运动学公式:v ′2-v 02=-2gh ⑥ 在很短Δt 时间内,冲击玩具的水柱的质量为Δm Δm =ρv 0S Δt⑦ 由题意可知,在竖直方向上,对该部分水柱应用动量定理 (F 压+Δmg )Δt =Δmv ′ ⑧ 由于Δt 很小,Δmg 也很小,可以忽略,⑧式变为 F 压Δt =Δmv ′⑨由④⑤⑥⑦⑨可得h =v 022g -M 2g 2ρ2v 02S22.如图所示,由喷泉中喷出的水柱,把一个质量为M 的垃圾桶倒顶在空中,水以速率v0、恒定的质量增率(即单位时间喷出的质量)ΔmΔt从地下射向空中.求垃圾桶可停留的最大高度.(设水柱喷到桶底后以相同的速率反弹)答案 h =v 022g -M 2g 8(Δt Δm)2解析 设垃圾桶可停留的最大高度为h ,并设水柱到达h 高处的速度为vt ,则 v 2-v 02=-2gh得v 2=v 02-2gh由动量定理得,在极短时间Δt 内,水受到的冲量为FΔt=2(ΔmΔt ·Δt)v解得F =2Δm Δt ·vt=2Δm Δtv 02-2gh据题意有F =Mg联立解得h =v 022g -M 2g 8(Δt Δm)23. 有一宇宙飞船,它的正面面积S = 0.98m2,以v = 2×103 m/s 的速度飞入一宇宙微粒尘区,此尘区每立方米空间有一个微粒,微粒的平均质量m = 2×10﹣7 kg ,要使飞船速度保持不变,飞船的牵引力应增加多少?(设微粒与飞船外壳碰撞后附于飞船上)。
第1页(共13页)2025年高考物理总复习专题18应用动量定理解决流体模型模型归纳
1.流体模型
分类方法指导
示例
流体类“柱状
模型”通常液体流、气体流等被广义地视
为“流体”,质量具有连续性,通常
已知密度ρ。
1.建立“柱状模型”,沿流速v 的方向
选取一段柱形流体,其横截面积为S 。
2.微元研究,作用时间Δt 内的一段
柱形流体的长度为Δl ,对应的质量
为Δm =ρSv Δt 。
3.建立方程,应用动量定理研究这
段柱状流体。
微粒类
“柱状
模型”通常电子流、光子流、尘埃等被广
义地视为“微粒”,质量具有独立
性,通常给出单位体积内粒子数n 。
1.建立“柱状”模型,沿运动的方向选取一段微元,柱体的横截面积为S 。
2.微元研究,极短作用时间Δt 内一段柱形流体的长度为Δl =v 0Δt ,对应
的体积为ΔV =Sv 0Δt ,则微元内的粒
子数N =nv 0S Δt (n 为单位体积内的
粒子数)。