第03章动量和能量守恒定律2优秀PPT.ppt
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1、第03章动量和能量守恒定律2现在学习的是第1页,共62页(五个小球质量全同)(五个小球质量全同)现在学习的是第2页,共62页车辆超载容易引车辆超载容易引发交通事故发交通事故车辆超速容易引车辆超速容易引发交通事故发交通事故现在学习的是第3页,共62页 牛顿定律是瞬时的规律。牛顿定律是瞬时的规律。但在有些问题中,但在有些问题中,如:碰撞(宏观)、散射(微观)如:碰撞(宏观)、散射(微观)我们往往只关心我们往往只关心过程过程中力的效果,即只关心中力的效果,即只关心始末态始末态间的关系间的关系,对过程的细节不感兴趣;而有些问题我们甚至尚弄不清楚过对过程的细节不感兴趣;而有些问题我们甚至尚弄不清楚过程的
2、细节。程的细节。作为一个过程,我们关心的是作为一个过程,我们关心的是力对时间和空间的积累效应。力对时间和空间的积累效应。力在空间力在空间上的积累上的积累作功,改变动能作功,改变动能力在时间力在时间上的积累上的积累现在学习的是第4页,共62页三大三大守恒定律守恒定律动量守恒定律动量守恒定律能量转换与守恒定律能量转换与守恒定律角动量守恒定律角动量守恒定律一、质点的动量定理一、质点的动量定理质点的冲量质点的冲量:质点的动量质点的动量:现在学习的是第5页,共62页可得:可得:作用于物体上的合外力的作用于物体上的合外力的冲量冲量等于物体等于物体动量的增量动量的增量质点的动量定理质点的动量定理 运动员在投
3、掷标枪时,伸直手臂,尽可能的延长手对标枪的作用时间,以提高标枪出手时的速度。现在学习的是第6页,共62页讨论讨论1。冲量是矢量。冲量的大小和方向冲量是矢量。冲量的大小和方向与整个过程中力的性质有关。与整个过程中力的性质有关。分量表示式分量表示式现在学习的是第7页,共62页4。动量与参照系有关,但动量差值与参照系无关。动量与参照系有关,但动量差值与参照系无关。因此,动量定理适用于所有惯性系。因此,动量定理适用于所有惯性系。3。动量定理适用于任何形式的质点运动,但在讨论如冲动量定理适用于任何形式的质点运动,但在讨论如冲击、碰撞等过程时更方便。击、碰撞等过程时更方便。2。在冲击等过程中,力的作用时间
4、很短暂,而力在冲击等过程中,力的作用时间很短暂,而力随时间的变化却很复杂,无法通过力的积分计算冲量随时间的变化却很复杂,无法通过力的积分计算冲量,但可由但可由求得力的冲量。求得力的冲量。并估算力的平均冲力:并估算力的平均冲力:汽车气囊、拳击手套、运动护垫汽车气囊、拳击手套、运动护垫 等等.现在学习的是第8页,共62页讨论讨论现在学习的是第9页,共62页*教授吸收了教授吸收了铁锤的全部铁锤的全部动量,但只动量,但只吸收了部分吸收了部分动能!动能!讨论讨论现在学习的是第10页,共62页讨论讨论现在学习的是第11页,共62页例例3-1 质量为质量为m的行李,垂直地轻放在传送带上,传送带的速率的行李,
5、垂直地轻放在传送带上,传送带的速率为为v,它与行李间的摩擦系数为,它与行李间的摩擦系数为,试计算:试计算:(1)行李将在传送带行李将在传送带上滑动多长时间上滑动多长时间?(2)行李在这段时间内运动多远行李在这段时间内运动多远?(3)有多少能量有多少能量被摩擦所耗费被摩擦所耗费?(1)以地面为参照系以地面为参照系(2)由质点动能定理由质点动能定理解解:(或:或:)mxOv现在学习的是第12页,共62页mxOv(3)被摩擦损耗的能量等于一对摩擦力做的功被摩擦损耗的能量等于一对摩擦力做的功以传送带为参考系:以传送带为参考系:现在学习的是第13页,共62页二、质点系的动量定理二、质点系的动量定理第第i
6、个质点受到的合外力为个质点受到的合外力为对第对第i个质点运用动量定理有:个质点运用动量定理有:对质点系有:对质点系有:质点系质点系i现在学习的是第14页,共62页因为:因为:三、动量守恒定律三、动量守恒定律 一个孤立的力学系统(系统不受外力作用)或合外一个孤立的力学系统(系统不受外力作用)或合外力为零的系统,系统内各质点间动量可以交换,但系统力为零的系统,系统内各质点间动量可以交换,但系统的总动量保持不变。即:的总动量保持不变。即:动量守恒定律。动量守恒定律。动量守恒定律。动量守恒定律。现在学习的是第15页,共62页1.区分区分外力外力和和内力内力内力仅能改变系统内某个物体的动量,内力仅能改变
7、系统内某个物体的动量,但不能改变系统的总动量但不能改变系统的总动量.注意注意现在学习的是第16页,共62页3.在某些情况下,如碰撞、打击、爆炸等过程,外力与在某些情况下,如碰撞、打击、爆炸等过程,外力与内力相比小很多。在极短的时间内,外力的时间积累内力相比小很多。在极短的时间内,外力的时间积累(冲量)相比之下可以忽略不计。我们可以有近似的动(冲量)相比之下可以忽略不计。我们可以有近似的动量守恒。量守恒。4.动量定理只适用于惯性系动量定理只适用于惯性系5.在牛顿力学的理论体系中,动量守恒定律是牛顿定律在牛顿力学的理论体系中,动量守恒定律是牛顿定律的推论。但动量守恒定律是更普遍、更基本的定律,它的
8、推论。但动量守恒定律是更普遍、更基本的定律,它在宏观和微观领域、低速和高速范围均适用。在宏观和微观领域、低速和高速范围均适用。2.合外力沿某一方向为零;可得到该方向上的动量守合外力沿某一方向为零;可得到该方向上的动量守恒。(尽管总动量不守恒)恒。(尽管总动量不守恒)现在学习的是第17页,共62页例一例一、如图,车在光滑水平面上运动。已知、如图,车在光滑水平面上运动。已知m、M、人逆车运动方向从车头经人逆车运动方向从车头经t 到达车尾。到达车尾。求求:1、若人匀速运动,他到达车尾时车的速度;若人匀速运动,他到达车尾时车的速度;2、车的运动路程;车的运动路程;3、若人以变速率运动,若人以变速率运动
9、,上述结论如何?上述结论如何?解解:以人和车为研究系统,:以人和车为研究系统,取地面为参照系。水平方取地面为参照系。水平方向系统动量守恒。向系统动量守恒。相对速度相对速度现在学习的是第18页,共62页1、2、3、变速率时变速率时:现在学习的是第19页,共62页例二、例二、质量为质量为2.5g的乒乓球以的乒乓球以10m/s的速率飞来,被板推挡后,又以的速率飞来,被板推挡后,又以20m/s的的速率飞出。设两速度在垂直于板面的同一速率飞出。设两速度在垂直于板面的同一平面内,且它们与板面法线的夹角分别为平面内,且它们与板面法线的夹角分别为45o和和30o,求:求:(1)乒乓球得到的冲量;乒乓球得到的冲
10、量;(2)若撞击时间为若撞击时间为0.01s,求板施于球求板施于球的平均冲力的大小和方向的平均冲力的大小和方向。45o 30o nv2v1解:取挡板和球为研究对象,由于解:取挡板和球为研究对象,由于作用时间很短,忽略重力影响。设作用时间很短,忽略重力影响。设挡板对球的冲力为挡板对球的冲力为 则有则有:现在学习的是第20页,共62页45o 30o nv2v1Oxy取坐标系,将上式投影,有:取坐标系,将上式投影,有:为平均冲力与为平均冲力与x方向的夹角方向的夹角。现在学习的是第21页,共62页例三、例三、一质量均匀分布的柔软细绳铅直一质量均匀分布的柔软细绳铅直地悬挂着,绳的下端刚好触到水平桌面地悬
11、挂着,绳的下端刚好触到水平桌面上,如果把绳的上端放开,绳将落在桌上,如果把绳的上端放开,绳将落在桌面上。面上。试证明试证明:在绳下落的过程中,任意:在绳下落的过程中,任意时刻作用于桌面的压力,等于已落到桌时刻作用于桌面的压力,等于已落到桌面上的绳重量的三倍。面上的绳重量的三倍。ox证明:证明:取如图坐标,设取如图坐标,设t时刻已有时刻已有x长的柔绳落至桌面,随长的柔绳落至桌面,随后的后的dt时间内将有质量为时间内将有质量为 dx(Mdx/L)的柔绳以的柔绳以dx/dt的速的速率碰到桌面而停止,它的动量变化率为:率碰到桌面而停止,它的动量变化率为:现在学习的是第22页,共62页根据动量定理,桌面
12、对柔绳的冲力为:根据动量定理,桌面对柔绳的冲力为:柔绳对桌面的冲力柔绳对桌面的冲力FF即:即:而已落到桌面上的柔绳的重量为而已落到桌面上的柔绳的重量为mg=Mgx/L所以所以F总总=F+mg=2Mgx/L+Mgx/L=3mg现在学习的是第23页,共62页四、功、功率四、功、功率1 1、功、功力的空间积累力的空间积累外力作功是外界对系统作用的一个过程量外力作功是外界对系统作用的一个过程量Fr单位:焦耳(单位:焦耳(J)大小:大小:恒力的功恒力的功现在学习的是第24页,共62页AB 微分形式微分形式.变力的功变力的功现在学习的是第25页,共62页直角坐标系中直角坐标系中说明说明1.一般情况下,功与
13、力和路径有关一般情况下,功与力和路径有关自然坐标系自然坐标系:现在学习的是第26页,共62页2.与与参照系无关,位移与参照系有关,故参照系无关,位移与参照系有关,故 A与参照系有关。与参照系有关。3.合力的功等于各分力的功的代数和。合力的功等于各分力的功的代数和。现在学习的是第27页,共62页例例1 作用在质点上的力为作用在质点上的力为在下列情况下求质点从在下列情况下求质点从处运动到处运动到处该力作的功:处该力作的功:1.质点的运动轨道为抛物线质点的运动轨道为抛物线2.质点的运动轨道为直线质点的运动轨道为直线XYO现在学习的是第28页,共62页做做功功与与路路径径有有关关XYO现在学习的是第2
14、9页,共62页2、功率、功率 力在单位时间内所作的功力在单位时间内所作的功瞬时功率等与力与物体速度的标积瞬时功率等与力与物体速度的标积单位:瓦特单位:瓦特 W现在学习的是第30页,共62页五、保守力的功五、保守力的功1 1、保守力、保守力某些力对质点做功的大小某些力对质点做功的大小只与质点的始末位置有关,而与只与质点的始末位置有关,而与路径无关路径无关。这种力称为保守力。这种力称为保守力。典型的保守力:典型的保守力:重力、万有引力、弹性力重力、万有引力、弹性力与保守力相对应的是与保守力相对应的是耗散力耗散力典型的耗散力:典型的耗散力:摩擦力摩擦力现在学习的是第31页,共62页2、重力的功、重力
15、的功m在重力作用下由在重力作用下由a运动到运动到b,取地面为坐标原点,取地面为坐标原点.可见,可见,重力是保守力。重力是保守力。初态量初态量末态量末态量现在学习的是第32页,共62页3、弹力的功、弹力的功可见,可见,弹性力是保守力。弹性力是保守力。弹簧振子弹簧振子 初态量初态量末态量末态量现在学习的是第33页,共62页4、引力的功、引力的功 两个质点之间在引力作用下相对运动时两个质点之间在引力作用下相对运动时,以,以M所在处为原点所在处为原点,M指向指向m的方向为矢径的正方向。的方向为矢径的正方向。m受的受的引力方向与矢径方向相反。引力方向与矢径方向相反。可见可见万有引力是保守力万有引力是保守
16、力。rabrdrFMmrdrab现在学习的是第34页,共62页例例2、一陨石从距地面高为、一陨石从距地面高为h处由静止开始落向地面,忽处由静止开始落向地面,忽略空气阻力,求陨石下落过程中,万有引力的功是多少?略空气阻力,求陨石下落过程中,万有引力的功是多少?解:取地心为原点,引力与矢径方向相反解:取地心为原点,引力与矢径方向相反abhRo现在学习的是第35页,共62页例例3、质量为质量为2kg的质点在力的质点在力(SI)的作用下,从静止出发,沿的作用下,从静止出发,沿x轴正向作直线运动。轴正向作直线运动。求前三秒内该力所作的功。求前三秒内该力所作的功。解:(一维运动可以用标量)解:(一维运动可
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