高中物理选修3-5知识点
- 格式:doc
- 大小:1.06 MB
- 文档页数:25
第十五章 动 量 知识网络:
第1单元 动量 冲量 动量定理 一、动量和冲量
1.动量——物体的质量和速度的乘积叫做动量:p=mv ⑴动量是描述物体运动状态的一个状态量,它与时刻相对应。 ⑵动量是矢量,它的方向和速度的方向相同。 ⑶动量的相对性:由于物体的速度与参考系的选取有关,所以物体的动量也与参考系选取有关,因而动量具有相对性。题中没有特别说明的,一般取地面或相对地面静止的物体为参考系。 (4)研究一条直线上的动量要选择正方向
2.动量的变化:ppp
由于动量为矢量,则求解动量的变化时,其运算遵循平行四边形定则。 A、若初末动量在同一直线上,则在选定正方向的前提下,可化矢量运算为代数运算。 B、若初末动量不在同一直线上,则运算遵循平行四边形定则。 【例1】一个质量为m=40g的乒乓球自高处落下,以速度v=1m/s碰地,竖直向上弹回,碰撞时间极短,离地的速率为v=0.5m/s。求在碰撞过程中,乒乓球动量变化为多少? 取竖直向下为正方向,乒乓球的初动量为: smkgsmkgmvp/04.0/104.0••
乒乓球的末动量为: smkgsmkgvmp/02.0/)5.0(04.0••
乒乓球动量的变化为: ppp=smkgsmkg/06.0/04.002.0••
负号表示p的方向与所取的正方向相反,即竖直向上。 2.冲量——力和力的作用时间的乘积叫做冲量:I=Ft
p p p 正方向 ⑴冲量是描述力的时间积累效应的物理量,是过程量,它与时间相对应。 ⑵冲量是矢量,它的方向由力的方向决定。如果力的方向在作用时间内保持不变,那么冲量的方向就和力的方向相同。如果力的方向在不断变化,如绳子拉物体做圆周运动,则绳的拉力在时间t内的冲量,就不能说是力的方向就是冲量的方向。对于方向不断变化的力的冲量,其方向可以通过动量变化的方向间接得出。 ⑶高中阶段只要求会用I=Ft计算恒力的冲量。 ⑷冲量和功不同。恒力在一段时间内可能不作功,但一定有冲量。 (5)必须清楚某个冲量是哪个力的冲量 (6)求合外力冲量的两种方法 A、求合外力,再求合外力的冲量 B、先求各个力的冲量,再求矢量和 【例2】 质量为m的小球由高为H的光滑固定斜面顶端无初速滑到底端过程中,重力、弹力、合力的冲量各是多大?
解析:力的作用时间都是gHgHt2sin1sin22,力的大小依次是mg、mgcosα和mgsinα,所以它们的冲量依次是: gHmIgHmIgHmING2,tan2,sin2合
点评:特别要注意,该过程中弹力虽然不做功,但对物体有冲量。
二、动量定理 1.动量定理——物体所受合外力的冲量等于物体的动量变化。既I=Δp ⑴动量定理表明冲量是使物体动量发生变化的原因,冲量是物体动量变化的量度。这里所说的冲量是物体所受的合外力的冲量(或者说是物体所受各外力冲量的矢量和)。 ⑵动量定理给出了冲量(过程量)和动量变化(状态量)间的互求关系。
⑶现代物理学把力定义为物体动量的变化率:tPF(牛顿第二定律的动量形式)。
动量定理和牛顿第二定律的联系与区别 ①、matmvmvF12=合 形式可以相互转化
②、tpF=合动量的变化率,表示动量变化的快慢 ③、牛顿定律适用宏观低速,而动量定理适用于宏观微观高速低速 ④、都是以地面为参考系 ⑷动量定理表达式是矢量式。在一维情况下,各个矢量以同一个规定的方向为正。 (5)如果是变力,那么F表示平均值 (6)对比于动能定理 I = F t = m v 2 - m v 1
W = F s =21 m v 22 -21 m v 21 【例3】以初速度v0平抛出一个质量为m的物体,抛出后t秒内物体的动量变化是多少?
解析:因为合外力就是重力,所以Δp=Ft=mgt 2.动量定理的定性应用 【例4】某同学要把压在木块下的纸抽出来。第一次他将纸迅速抽出,木块几乎不动;第
m H 二次他将纸较慢地抽出,木块反而被拉动了。这是为什么? 解析:物体动量的改变不是取决于合力的大小,而是取决于合力冲量的大小。在水平方向上,第一次木块受到的是滑动摩擦力,一般来说大于第二次受到的静摩擦力;但第一次力的作用时间极短,摩擦力的冲量小,因此木块没有明显的动量变化,几乎不动。第二次摩擦力虽然较小,但它的作用时间长,摩擦力的冲量反而大,因此木块会有明显的动量变化。 3.动量定理的定量计算 ⑴明确研究对象和研究过程。研究对象可以是一个物体,也可以是几个物体组成的质点组。质点组内各物体可以是保持相对静止的,也可以是相对运动的。研究过程既可以是全过程,也可以是全过程中的某一阶段。 ⑵进行受力分析。只分析研究对象以外的物体施给研究对象的力。 ⑶规定正方向。由于力、冲量、速度、动量都是矢量,在一维的情况下,列式前要先规定一个正方向,和这个方向一致的矢量为正,反之为负。 ⑷写出初、末动量和合外力的冲量(或各外力在各个阶段的冲量的矢量和)。 ⑸根据动量定理列式求解。 【例5】质量为m的小球,从沙坑上方自由下落,经过时间t1到达沙
坑表面,又经过时间t2停在沙坑里。求:⑴沙对小球的平均阻力F;⑵小
球在沙坑里下落过程所受的总冲量I。 解析:设刚开始下落的位置为A,刚好接触沙的位置为B,在沙中到达的最低点为C。⑴在下落的全过程对小球用动量定理:重力作用时间为t1+t2,而阻力作用时间仅为t2,以竖直向下为正方向,有:
mg(t1+t2)-Ft2=0, 解得:
221t
ttmgF
⑵仍然在下落的全过程对小球用动量定理:在t1时间内只有重力的冲量,在t2时间内
只有总冲量(已包括重力冲量在内),以竖直向下为正方向,有: mgt1-I=0,∴I=mgt1 点评:若本题目给出小球自由下落的高度,可先把高度转换成时间后再用动量定理。当t1>> t2时,F>>mg。
【例6】 质量为M的汽车带着质量为m的拖车在平直公路上以加速度a匀加速前进,当速度为v0时拖车突
然与汽车脱钩,到拖车停下瞬间司机才发现。若汽车的牵引力一直未变,车与路面的动摩擦因数为μ,那么拖车刚停下时,汽车的瞬时速度是多大? 解析:以汽车和拖车系统为研究对象,全过程系统受的合外力始终为amM,该过程经历时间为v0/μg,末状态拖车的动量为零。全过程对系统用动量定理可得:
000,vMggamMvvmMvMgvamM
【例7】 质量为m=1kg的小球由高h1=0.45m处自由下落,落到水平
地面后,反跳的最大高度为h2=0.2m,从小球下落到反跳到最高点经历的时
间为Δt=0.6s,取g=10m/s2。求:小球撞击地面过程中,球对地面的平均
A B C
m M v0 v/ 压力的大小F。 解析:以小球为研究对象,从开始下落到反跳到最高点的全过程动量变化为零,根据下降、上升高度可知其中下落、上升分别用时t1=0.3s和t2=0.2s,因此与地面作用的时间
必为t3=0.1s。由动量定理得:mgΔt-Ft3=0 ,F=60N
4.在F-t图中的冲量:F-t图上的“面积”表示冲量的大小。 【例11】(难)跳伞运动员从2000m高处跳下,开始下落过程未打开降落伞,假设初速度为零,所受空气阻力与下落速度大小成正比,最大降落速度为vm=50m/s。运动员降
落到离地面s=200m高处才打开降落伞,在1s内速度均匀减小到v1=5.0m/s,然后匀速下
落到地面,试求运动员在空中运动的时间。 解析:整个过程中,先是变加速运动,接着匀减速,最后匀速运动,作出v—t图线如图(1)所示。由于第一段内作非匀变速直线运动,用常规方法很难求得这1800m位移内的运动时间。考虑动量定理,将第一段的v—t图按比例转化成f—t图,如图(2)所示,则可以巧妙地求得这段时间。 设变加速下落时间为t1,mfmvImgt1
1sktvktkvtfIf
又:mg=kvm,得mvmgk
所以:mmmvvmgsmgt11
svsgvtmm41501800105011 第二段1s内:2
2/451505sma
mavvsm5.2722222 所以第三段时间svsst5.3455.2720023 空中的总时间:stttt5.76321 三、针对训练 1.对于力的冲量的说法,正确的是 ( ) A.力越大,力的冲量就越大 B.作用在物体上的力大,力的冲量也不一定大 C.F1与其作用时间t1的乘积F1t1等于F2与其作用时间t2的乘积F2t2,则这两个冲量相同 D.静置于地面的物体受到水平推力F的作用,经时间t物体仍静止,则此推力的冲量为零
2.下列关于动量的说法中,正确的是 ( ) A.物体的动量改变,其速度大小一定改变 B.物体的动量改变,其速度方向一定改变 C.物体运动速度的大小不变,其动量一定不变 D.物体的运动状态改变,其动量一定改变