2019_2020学年高中物理第1章碰撞与动量守恒1探究动量变化与冲量的关系精练含解析沪教版选修3_5.doc
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1、11探究动量变化与冲量的关系1.理解动量和冲量的概念2.理解动量定理的确切含义和表达式,知道动量定理适用于变力(重点)3会用动量定理解释有关物理现象,并能掌握一维情况下的计算问题(重点难点)一、动量和冲量动量定理1冲量(1)概念:力和力的作用时间的乘积Ft叫做冲量(2)公式:IFt.(3)单位:国际单位制中是牛顿秒,符号是Ns.(4)矢量性:冲量是矢量,它的方向与力的方向相同(5)物理意义:冲量是反映力对时间累积效应的物理量,力越大,时间越长,冲量就越大2动量(1)定义:物体的质量m和速度v的乘积mv叫做动量(2)定义式:pmv.(3)单位:在国际单位制中,动量的单位是千克米每秒,符号为:kg
2、m/s.(4)矢量:由于速度是矢量,所以动量是矢量,它的方向与速度相同3动量定理(1)内容:物体所受合力的冲量等于物体的动量变化(2)公式:Ip或Ftpp1(1)物体的质量越大,动量一定越大()(2)物体的速度大小不变,动量一定不变()(3)物体动量大小相同,动能一定相同()(4)动量和冲量的单位是等价的,所以二者是同一物理量的不同叫法()提示:(1)(2)(3)(4)二、动量定理的应用1物体的动量变化一定的情况下:力的作用时间越短,力就越大;作用时间越长,力就越小2作用力一定的情况下:力的作用时间越长,动量的变化就越大;力的作用时间越短,动量变化就越小2(1)用力推物体但没推动,则这个力对物
3、体的冲量为零()(2)跳高比赛时,在运动员落地处放置很厚的海绵垫子可以减小冲量()提示:(1)(2)对冲量的理解学生用书P11冲量的特点(1)矢量性:力是矢量,冲量也是矢量,但冲量的方向并不一定是力的方向(2)过程性:冲量是描述力对物体作用的时间积累效应的物理量,力越大,作用时间越长,冲量就越大(3)绝对性:由于力和时间都跟参考系的选择无关,因此冲量也跟参考系的选择无关;另外,物体受某个力的冲量只取决于这个力及其作用时间,与物体的运动状态、是否受其他力无关2冲量的计算(1)恒力的冲量:IFt(F为恒力)(2)变力的冲量:动量定理(Ip)或图像法如图所示,若某一力方向恒定不变,那么在Ft图像中,
4、图中阴影部分的面积就表示力在时间tt2t1内的冲量3冲量的运算服从平行四边形定则,合冲量等于各外力的冲量的矢量和若整个过程中,不同阶段受力不同,则合冲量为各阶段冲量的矢量和求冲量时一定要明确是哪一个力在哪一段时间内的冲量,这个力是变力还是恒力关于冲量,下列说法中正确的是()A冲量是物体动量变化的原因B作用在静止的物体上的力的冲量一定为零C动量越大的物体受到的冲量越大D冲量的方向就是物体受力的方向思路点拨 理解冲量的概念和冲量与动量变化的关系是解题的关键解析力作用一段时间便有了冲量,而力作用一段时间后,物体的运动状态发生了变化,物体的动量也发生了变化,因此说冲量使物体的动量发生了变化,A选项正确
5、只要有力作用在物体上,经历一段时间,这个力便有了冲量IFt,与物体处于什么状态无关,物体运动状态的变化情况,是所有作用在物体上的力共同产生的效果,所以B选项不正确物体所受冲量IFt与物体动量的大小pmv无关,C选项不正确冲量是一个过程量,只有在某一过程中力的方向不变时,冲量的方向才与力的方向相同,故D选项不正确答案A力的冲量与物体运动状态无关,只有力为恒力时,力的冲量的方向才与力的方向相同 一质量为m的小球,以初速度v0沿水平方向射出,恰好垂直地射到一倾角为30的固定斜面上,并立即沿反方向弹回已知反弹速度的大小是入射速度大小的.求在碰撞过程中斜面对小球的冲量的大小解析:小球在碰撞斜面前做平抛运
6、动,设刚要碰撞斜面时小球速度为v,由题意知v的方向与竖直线的夹角为30,且水平分量仍为v0,如图所示由此得v2v0.碰撞过程中,小球速度由v变为反向的v,碰撞时间极短,可不计重力的冲量,由动量定理,设反弹速度的方向为正方向,则斜面对小球的冲量为Imm(v)解得Imv0.答案:mv0对动量和动量变化的理解学生用书P21对动量的理解(1)动量是状态量在谈及动量时,必须明确是物体在哪个时刻或哪个状态所具有的动量(2)动量的矢量性:动量是矢量,大小为 mv,方向与 v 的方向相同,服从矢量运算法则(3)动量的相对性:由于物体的速度与参考系的选择有关,因此物体的动量也与参考系的选择有关在中学阶段,动量表
7、达式中的速度一般是以地球为参照物的(4)动量与动能大小的关系Ek或p22mEk.2动量的变化(1)定义:动量变化 p 等于物体的末动量 p 与初动量 p 的差,即 p p p.(2)动量变化的方向:动量变化是矢量,动量变化的方向就是速度变化的方向(3)动量变化的计算动量变化是矢量,其大小和方向可由 p 与 p 的矢量差决定,而计算矢量差要用平行四边形定则;共线的动量运算,先选定一个方向为正方向,可转化为代数运算,若p0,说明p的方向与选取的正方向相同,若p0,说明p的方向与选取的正方向相反(1)物体的速度变化时,物体的动量一定变化,但动能不一定变化(2)物体的动能变化时,速度一定变化,动量一定
8、变化质量为0.5 kg的物体,运动速度为3 m/s,它在一个变力作用下速度变为7 m/s,方向和原来方向相反,则这段时间内动量的变化量为()A5 kgm/s,方向与原运动方向相反B5 kgm/s,方向与原运动方向相同C2 kgm/s,方向与原运动方向相反D2 kgm/s,方向与原运动方向相同解析以原来的方向为正方向,由定义式pmvmv得p(70.530.5) kgm/s5 kgm/s,负号表示p的方向与原运动方向相反答案A关于动量变化量的求解(1)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(2)若初、末动量不在同一直线上,运算时应遵循平行四边形定则 【通关练习】1
9、(多选)质量为10 kg的物体,当其速率由3 m/s变为4 m/s时,它的动量变化p的大小可能是()A10 kgm/sB50 kgm/sC70 kgm/s D90 kgm/s解析:选ABC.根据动量变化pmv2mv1知,当v1和v2的方向相同时,pmv2mv110 kgm/s,动量变化最小;当v1和v2的方向相反时,pmv2mv170 kgm/s,动量变化最大所以10 kgm/sp70 kgm/s.2.如图所示,PQS是固定于竖直平面内的光滑的圆周轨道,圆心O在S的正上方,在O和P两点各有一质量为m的小物体a和b,从同一时刻开始,a自由下落,b沿圆弧下滑以下说法正确的是()Aa比b先到达S,它
10、们在S点的动量不相等Ba与b同时到达S,它们在S点的动量不相等Ca比b先到达S,它们在S点的动量相等Db比a先到达S,它们在S点的动量相等解析:选A.a、b两物体到达S点速度方向不同,故它们的动量不相等;a物体做自由落体运动,运动时间为t1,b物体沿圆弧轨道下滑的过程中(在P点除外),其竖直方向分运动的加速度在任何高度都小于重力加速度,又a、b两物体竖直方向位移相等,所以b物体下滑到S的时间t2t1,故A正确,B、C、D错误对动量定理的理解学生用书P31对动量定理的理解(1)动量定理反映了合外力的冲量与动量改变量之间的因果关系,即合外力的冲量是原因,物体的动量改变量是结果(2)动量定理表达式是
11、矢量式,“”包含了大小相等、方向相同两方面的含义(3)由动量定理可以得出F,它说明动量的变化率决定于物体所受的合外力(4)动量定理中的冲量是合外力的冲量,而不是某一个力的冲量,它可以是合力的冲量,可以是各力冲量的矢量和,也可以是外力在不同阶段的矢量和(5)动量定理具有普遍性,不论物体的运动轨迹是直线还是曲线,不论作用力是恒力还是变力,几个力的作用时间不论是相同还是不同,动量定理都适用2动量定理的应用(1)定性解释一些物理现象在动量变化一定的情况下,如果需要增大作用力,必须缩短作用时间在动量变化一定的情况下,如果需要减小作用力,必须延长作用时间缓冲作用(2)定量计算:在用动量定理计算有关问题时要
12、注意定理中力必须是物体所受的合外力,要注意定理的矢量性,求解前先规定正方向,再简化为代数运算(一维情况)(3)应用动量定理解决问题的一般步骤选定研究对象进行受力分析和运动的初、末状态分析选定正方向,由动量定理列式求解3利用动量定理计算流体的冲力对于“变质量”和“连续”的流体的动量变化问题,因涉及流体的特点是连续性和变质量,因此解决该类问题的关键是研究对象的选取一般要选用一段时间t内流出的流体为研究对象,其长度为vt,流体截面积为S,则流体体积VSvt,故液柱的质量mVSvt,再对质量为m的液柱应用动量定理求解在应用动量定理解题时,一定要对物体认真进行受力分析,不可有力的遗漏;建立方程时要事先选
13、定正方向对于变力的冲量,往往通过动量定理来计算,只有当相互作用时间t极短时,且相互作用力远大于重力时,才可舍去重力 命题视角1对动量定理的理解(多选)从同样高度落下的玻璃杯,掉在水泥地上容易打碎,而掉在草地上不容易打碎,其原因是()A掉在水泥地上的玻璃杯动量大,而掉在草地上的玻璃杯动量小B掉在水泥地上的玻璃杯动量改变大,掉在草地上的玻璃杯动量改变小C掉在水泥地上的玻璃杯动量改变快,掉在草地上的玻璃杯动量改变慢D掉在水泥地上的玻璃杯与地面接触时,相互作用力大,而掉在草地上的玻璃杯受地面的冲击力小解析两种情况下,p相同,所用时间不同由F可知C、D正确答案CD利用动量定理分析问题时,要把哪个量不变,
14、哪个量变化搞清楚 命题视角2对动量定理的应用蹦床是运动员在一张绷紧的弹性网上蹦跳、翻滚并做各种空中动作的运动项目一个质量为60 kg的运动员,从离水平网面3.2 m高处自由下落,着网后沿竖直方向蹦回离水平网面5.0 m高处已知运动员与网接触的时间为1.2 s若把这段时间内网对运动员的作用力当作恒力处理,求此力的大小和方向(g取10 m/s2)解析法一:对运动员与网接触的过程应用动量定理运动员刚接触网时速度的大小:v1 m/s8 m/s,方向向下刚离网时速度的大小:v2 m/s10 m/s,方向向上运动员与网接触的过程,设网对运动员的作用力为FN,对运动员,由动量定理(以向上为正方向)有:(FN
15、mg)tmv2m(v1)解得FNmg N6010 N1.5103 N,方向向上法二:此题也可以对运动员下降、与网接触、上升的全过程应用动量定理从3.2 m高处自由下落的时间为t1 s0.8 s.运动员弹回到5.0 m高处所用的时间为t2 s1 s.整个过程中运动员始终受重力作用,仅在与网接触的t31.2 s的时间内受到网对他向上的弹力FN的作用,对全过程应用动量定理,有FNt3mg(t1t2t3)0,则FNmg6010 N1.5103 N,方向向上答案1.5103 N方向向上动量定理的解题要点(1)若物体在运动过程中所受的力不是同时的,可将受力情况分成若干阶段来求解,也可当成一个全过程来求解(
16、2)注意动量定理中的力是合外力,而不仅是冲力 命题视角3利用动量定理计算平均力水力采煤时,用水枪在高压下喷出强力的水柱冲击煤层设水柱直径d30 cm,水速v50 m/s,假设水柱射在煤层的表面上,冲击煤层后水的速度变为零,求水柱对煤层的平均冲击力(水的密度1.0103 kg/m3)解析设在一小段时间t内,从水枪射出的水的质量为m,则mSvt.以m的水为研究对象,如图所示,它在t时间内的动量变化量pm(0v)Sv2t.设F为水对煤层的平均作用力,即冲力,F为煤层对水的反冲力,以v的方向为正方向,根据动量定理(忽略水的重力),有FtpSv2t,即FSv2.根据牛顿第三定律知FFSv2.式中Sd2,
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