動量定理的拓展應用

2023-01-01 06:33:02 字數 4510 閱讀 6520

1、動量定理fδt=mvt-mv0可以用一種更簡潔的方式fδt=δp表達,式中左邊表示物體受到的衝量,右邊表示動量的增量(變化量)。此式稍加變形就得

其含義是:物體所受外力(若物體同時受幾個力作用,則為合外力)等於物體動量的變化率。這一公式通常稱為「牛頓第二定律的動量形式」。

這一形式更接近於牛頓自己對牛頓第二定律的表述。應用這個表述我們在分析解決某些問題時會使思路更加清晰、簡潔。

【例1】如圖所示,在粗糙水平面上放一三角本塊a,若物體b在a的斜面上靜止,加速,勻速或減速下滑時.在四種情況下a對平面的壓力比a、b兩重力之和大還是小?

解法一:(常規解法)如圖所示,

n=ga+ny+fy

ny=nb-acosθ=gbcos2θ

fy=fb-asinθ,當b沿斜面勻速下滑時,在數值上fb-a=fa-b= gbsin

所以fy=gbsin2θ

所以 n= ga+gbsin2θ+gbcos2θ=ga+gb

當b在a上靜止時情形亦如此n=ga+gb

當b在a上加速下滑時f<gbsinθ,所以 n<ga+gb

當b在a上減速下滑時f>gbsinθ,所以n>ga+gb

解法二:將a、b視為一整體如圖所示,將n分解

根據動量定理[n0-(ga+gb )]δt=δp

顯然勻速運動時n= ga+gb

加速運動時n<ga+gb

減速運動時n>ga+gb

下面我們再來討論a與地面間摩擦力的方向

(1)當b沿料麵勻速運動或靜止在斜面上;

(2)當b沿斜面加速下滑;

(3)當b沿斜面減速下滑;

(4)當b沿斜面向上運動.

解法一:(l)當b靜止在斜面或沿料麵勻速下滑時對b有:gbsinθ=f n=gbcosθ

對a受力分析如圖所示,比較fx與nx的大小

fx=fcosθ= gbsinθcosθ,nx=gbcosθsinθ

所以當b靜止或沿料麵勻速下滑時,fx=nx,a與平面間無摩擦力.

(2)當b沿斜面加速下滑時對b ,gbsinθ>f所以對a ,fx<nx,摩擦力方向向左

(3)當b沿斜面減速下滑時 gbsinθ<f所以對a,fx>nx,摩擦力方向向右

(4)當b沿斜面向上運動時,a受到b對它摩擦力的方向斜向上,很顯然地面對a摩擦力方向向左.

解法二:將ab視為乙個系統,將b的速度分解如圖所示,

(1)當停止或勻速下滑時,δvx=0.

根據動量定理,ab在水平方向受到衝量為零,所以產生衝量的摩擦力為零.

(2)當沿斜面加速下滑時fδt=mbδvx,f與δvx同向,所以f方向向左.

(3)當沿斜面減速下滑時:我們可用同樣方法得出f方向向右.

注意:當b沿斜面向上勻速運動時,δvx=0,由動量定理可知,f應當為零,而實際上方向向左,為什麼?這裡必須清楚.當b沿斜面向上勻速運動時,對這個系統,水平方向的合外力已經不單是f了,必須有除f以外的外力存在,而且它的方向或者其分力方向水平向右,否則b不會沿斜面向上勻速運動.

【例2】如圖所示,等臂天平左端有一容器,內盛有水,水中有一密度小於水密度的木球.有一細繩一端系球,一端固定於燒杯底部,整個系統處於平衡狀態,假設細繩突然斷裂,小球相對於水向上加速運動,天平將如何?

解法一:按照常規則應進行如下分析

對盤:如圖4—12中1所示(n為臂對盤的支援力,f為杯對盤的壓力)

n=f+g盤 ①

對杯底:如圖4—12中2所示(f/為盤對杯的支援力,t為繩對杯的拉力,f水為水對杯的壓力)

f/=f f/=g杯+f水-t ②

對水:如圖4-12中3所示( f/水為杯底對水的支援力,f/浮為球對水作用力)

f/水= f/浮十**

對球(f浮為水對球的浮力,t/為繩對球的拉力,t/= t)f浮=f/浮

當靜止時 f浮=t/十 g球代入③得 f/水=t/十g球 + **代入②得

f/= g杯十 **+g球代入①得 n=g盤+g杯十 **+g球

當繩斷時,對杯底如圖4—12中4所示,

f/=g杯+ ** ④

f浮一g球=m木球a-m水球a 即f浮 =g球十m木球a-m水球a 代入③得

對水f/水= g球+**+m木球a-m水球a 代入④得

f=g杯十**十g球十m木球a-m水球a 代入①得 n=g盤+g杯十 **+g球十m木球a-m水球a 所以天平左端上公升.

解法二:若將盤、杯、水、球視為乙個整體,則根據動量定理 fδt=δp

即[n(g盤+g杯十 **+g球 )]δt=δp

當靜止時δp=0 所以 n=g盤+g杯十 **+g球

當木球向上運動水球向下運動時,δp=m木球δv-m水球δv<0 所以 n 說明:前法較後法步驟繁雜,使人接受困難,後法兩步即可得出結論,兩法比較,繁簡分明.

【例3】如圖所示,在光滑水平面上,有a、b兩輛小車.水平面左側有一豎直牆.在小車b上坐著乙個小孩.小孩與車b的總質量是車a的10倍,兩車從靜止開始,小孩把車a以對地速度v推出,車a與牆碰撞後仍以原速率返回,小孩接到車a後,又把它以對地速度v推出,車a返回後,小孩再把它推出,每次推出,小車a對地速度都是v,方向向左,則小孩共把車a推出多少次後,車a返回小孩不能再接到?

解析:題中車a多次與車b及牆壁間發生相互作用,而每次與車b作用時,水平方向合力為0,故a、b每次作用時,由車a與車b組成系統動量守恆,而每次作用後車b的速度是下一次作用前的速度,這為乙個隱含條件,車a返回,小孩不能接到的臨界條件是vb=v.

設第一次、第二次、…、第n次作用後,車b的速度為v1,v2,…,vn,每次作用,車a與車b動量守恆,從而得到

0=10mvl-mva、b第1次作用)

10mvl +mv=10mv2-mva、b第2次作用)

10mv2 +mv=10mv3-mva、b第3次作用)

………10mvn-1 +mv=10mvn-mv (a、b第n次作用)

把n式相加得:(n—1)mv= 10mvn-nmv

即得:vn=v≥v 則 n≥5.5, n取整數, n=6次後,車a 返回時,小孩接不到車a

巧解:對a、b系統,所受合外力就是牆的彈力.這個彈力每次產生衝量大小為2mv,要使b不再接到 a,必須va≤vb.這裡先取乙個極限值va=vb=v ,則:

根據動量定理, n2mv=(m+m)v

將m=10m代入解得 n=5.5,所以推6次即可.

2、物體動量的增量可以是物體質量不變,由速度變化形成:δp=mv2i一mv1=m(v2一v1)=mδv,

動量定理表達為fδt=mδv.也可以是速度不變,由質量變化形成:δp=m2v一mlv=(m2一ml)v=δmv,動量定理表達為fδt=δmv。在分析問題時要注意第二種情況。

【例4】宇宙飛船進入乙個宇宙塵埃區,每前進lm,就有10個平均質量為2×10-7的微塵粒與飛船相撞,並附在飛船上。若塵埃微粒原來的速度不計,要保持飛船的速度10 km/s,飛船噴氣產生的推力至少應維持多大?

解析:設飛船速度為v,飛行時間為δt,每前進1m附著的塵粒數為n,塵粒的平均質量為m0,則在δt內飛船增加的質量δm=nm0vδt.

據動量定理fδt=δmv。可知推力:

【例5】科學家設想在未來的航天事業中用太陽帆來加速星際宇宙飛船,按照近代光的粒子說,光由光子組成,飛船在太空中張開太陽帆,使太陽光垂直射到太陽帆上,太陽帆面積為s,太陽帆對光的反射率為100%,設太陽帆上每單位面積每秒到達n個光子,每個光子的動量為p,如飛船總質量為m。

求:(1)飛船加速度的表示式。

(2)若太陽帆面對陽光一面是黑色的,情況又如何?

解析:(1)設經過時間t,則在時間t**到太陽帆上的光子數為:n=nst……①

對光子由動量定理得ft=np一n(一p)……② 對飛船由牛頓運動定律得f=ma……③

由以上三式解得飛船的加速度為

(2)若太陽帆面對陽光的一面是黑色的,則對光子由動量定理得:ft=0一n(一p)……④

由①③④得

【例6】自動稱公尺機已在許多大糧店廣泛使用。買者認為:因為公尺流落到容器中時有向下的衝力而不划算;賣者則認為:

當預定公尺的質量數滿足時,自動裝置即刻切斷公尺流時,此刻尚有一些公尺仍在空中,這些公尺是多給買者的,因而雙方爭執起來,究竟哪方說得對而划算呢?(原理如圖所示)。

解析:設公尺流的流量為dkg/s,它是恆定的,自動裝置能即刻在出口處切斷公尺流,公尺流在出口處速度很小可視為零,若切斷公尺流後,盛公尺的容器中靜止的那部分公尺的質量為m1kg,空中還在下落的公尺質量為m2kg,則落到已靜止的公尺堆(m1)上的一小部分公尺的質量為δm kg.取δm為研究物件,這部分公尺很少,在δt時間內δm=d·δt,設其落到公尺堆上之前的速度為v,經δt時間靜止,其受力如圖所示,由動量定律得

(f一δmg)δt=δmv 即f=dv十d·δt·g

根據牛頓第三定律知f=f/, 稱公尺機的讀數應為=m1+m2+δm

可見,稱公尺機讀數包含了靜止在袋中的部分m1,也包含了尚在空中的下落的公尺流 m2應包含剛落至公尺堆上的一小部分δm,即自動稱公尺機是準確的,不存在哪方划算不划算的問題。

點評:本例是物理知識在實際生活中應用綜合題,涉及物理中的衝量,動量、動量守恆、牛頓第三定律等知識。考查學生應用學科知識解決實際問題的能力,解此題必須正確分析現象,形成正確的物理圖景,恰當運用物理規律求解。

動量定理應用學案

第16章動量守恆定律應用 動量定理2 涉及彈簧 流體 板塊 系統 碰撞打擊 一 基礎知識回顧 1 衝量i ft.特點 向量 過程量 絕對性 2 動量p mv.特點 向量 狀態量 相對性 3.動量的變化量 p p p,也是向量 4 動量定理 1 表示式 f t mv 2 力的表示式 f 二 應用動量定...

動量和動量定理

一 動量 1 概念 在物理學中,物體的和的乘積叫做動量。2 定義式 3 單位 4 對動量的理解 1 向量性 動量的方向與方向一致。2 瞬時性 動量的定義式中的v指物體的瞬時速度,從而說明動量與或對應,是狀態量或過程量 3 相對性 速度具有相對性,參考係不同,就不同。二 動量的變化量 1.定義 物體的...

動量定理及答案

1 因為動量定理中的衝量為研究物件所受外力的總衝量,所以必須準確地選擇研究物件,並進行全面的受力分析,畫出受力圖,如果在過程中外力有增減,還需進行多次受力分析。2 因為動量定理是向量式,而多數情況下物體的運動是一維的,所以在應用動量定理前必須建立乙個一維座標,確定正方向,並在受力圖中標出。在應用動量...