物理功与能精品文稿.ppt

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1、物理功与能1第1页，本讲稿共51页2 2、特点、特点物体间相互作用物体间相互作用持续时间极短持续时间极短,内力内力外力外力。作用力变化快，峰值极大，作用力变化快，峰值极大，碰撞符合碰撞符合动量守恒定律动量守恒定律。碰撞过程中物体会产生碰撞过程中物体会产生形变形变。2第2页，本讲稿共51页碰撞前碰撞前碰撞时碰撞时碰撞后碰撞后二、两球的正碰撞（对心碰撞）二、两球的正碰撞（对心碰撞）1、对心碰撞、对心碰撞:如果两球在碰撞前的速度在两球的中如果两球在碰撞前的速度在两球的中心连线上，则碰撞后的速度也都在这一连线上，心连线上，则碰撞后的速度也都在这一连线上，这种碰撞称为这种碰撞称为对心碰撞（正碰撞）对心碰

2、撞（正碰撞）。3第3页，本讲稿共51页2 2、恢复系数（牛顿碰撞定律）、恢复系数（牛顿碰撞定律）物理实质：物理实质：反映总动能损失程度反映总动能损失程度；数值由材料性质定。（实验测定）数值由材料性质定。（实验测定）0e1非对心碰撞又称为斜碰非对心碰撞又称为斜碰，指碰前速度方向至少，指碰前速度方向至少有一个不在球心连线上。有一个不在球心连线上。4第4页，本讲稿共51页3 3、动量守恒方程、动量守恒方程无动能损失，称无动能损失，称完全弹性碰撞完全弹性碰撞；4 4、碰撞分类、碰撞分类动能损失最大，称动能损失最大，称完全非弹性碰撞完全非弹性碰撞；有部分动能损失，称有部分动能损失，称非完全弹性碰撞非完全

3、弹性碰撞.5第5页，本讲稿共51页5 5、碰撞过程中能量的转化、碰撞过程中能量的转化（1 1）追赶阶段）追赶阶段（2 2）压缩阶段：）压缩阶段：第一球追上第二球后，互相挤压，第一球追上第二球后，互相挤压，形变逐渐增大，直到二球速度相等，此时二球形变形变逐渐增大，直到二球速度相等，此时二球形变最大，压缩结束。最大，压缩结束。相遇无形变相遇无形变开始形变开始形变最大形变最大形变6第6页，本讲稿共51页（3 3）恢复阶段）恢复阶段后球以弹力作用于前球，使它的速度进一步增大，后球以弹力作用于前球，使它的速度进一步增大，前球以弹力作用于后球，使它进一步减速，这一前球以弹力作用于后球，使它进一步减速，这一

4、阶段形变逐渐恢复，直到形变不再恢复，相互作阶段形变逐渐恢复，直到形变不再恢复，相互作用力为零，用力为零，恢复阶段结束恢复阶段结束最大形变最大形变形变减小形变减小分离分离（4）分开阶段）分开阶段演示演示T3-6.SWF7第7页，本讲稿共51页完全弹性碰撞：完全弹性碰撞：碰后两球完全恢复原状碰后两球完全恢复原状 动能动能 形变能形变能 动能动能完全非弹性碰撞：完全非弹性碰撞：碰后两球形变完全没有恢复碰后两球形变完全没有恢复 动能动能 形变能形变能非完全弹性碰撞：非完全弹性碰撞：碰后两球形变部分恢复碰后两球形变部分恢复 动能动能 形变能形变能 动能动能可能转化为其他形式能量：热能，声能可能转化为其他

5、形式能量：热能，声能8第8页，本讲稿共51页三、速度公式及动能损失三、速度公式及动能损失由（由（1 1）（）（2 2）可得：）可得：9第9页，本讲稿共51页四、讨论四、讨论1 1完全弹性碰撞完全弹性碰撞由（由（3 3）（）（4 4）可得：可得：动能损失动能损失动能不损失动能不损失10第10页，本讲稿共51页（1）若若讨论讨论碰前碰前碰后碰后交换速度交换速度应用：核反应堆中应用：核反应堆中,用石墨或重用石墨或重水作为中子的减速剂；应选碳核、水作为中子的减速剂；应选碳核、重氢核等较轻元素重氢核等较轻元素11第11页，本讲稿共51页（3）若若,且且（2）若若,且且碰前碰前碰后碰后应用：核反应堆中防护

6、材料应用：核反应堆中防护材料（反射层）（反射层）,应选铝、铅应选铝、铅等较重元素）等较重元素）12第12页，本讲稿共51页2 2完全非弹性碰撞完全非弹性碰撞由动量守恒可得：由动量守恒可得：动能损失动能损失动能损失最大动能损失最大13第13页，本讲稿共51页动能损失：动能损失：3 3非完全弹性碰撞非完全弹性碰撞设设v20=0，此时损失的机械能为，此时损失的机械能为碰撞前的机械能碰撞前的机械能14第14页，本讲稿共51页可知，动能损失与恢复系数及质量比有关。可知，动能损失与恢复系数及质量比有关。对锻打（打铁），对锻打（打铁），动能损失用于工件形变，越多动能损失用于工件形变，越多越好，取越好，取m

7、m1 1mm2,用用大汽锤。大汽锤。15第15页，本讲稿共51页例例1 1 在在碰碰撞撞实实验验中中，常常用用如如图图所所示示的的仪仪器器。A为为一一小小球球，B为为蹄蹄状状物物，质质量量分分别别为为m1和和m2。开开始始时时，A球球从从张张角角处处落落下下，然然后后与与静静止止的的B物物相相碰碰撞撞，嵌嵌入入B中中一一起起运运动动，求求两两物到达最高处的张角物到达最高处的张角。16第16页，本讲稿共51页解解 整个过程由整个过程由三个阶段三个阶段组成：组成：由图中由图中A A到到B B，球，球A A 受重力和悬线受重力和悬线张力作用，对地球、小球系统，张力作用，对地球、小球系统，重力为保守内

8、力，张力不作功，重力为保守内力，张力不作功，机械能守恒过程；机械能守恒过程；取取B B点的重力势能为零。小球在点的重力势能为零。小球在A A点速度为点速度为v17第17页，本讲稿共51页A A、B B与与碰碰撞撞过过程程作作用用时时间间极极短短，可可认认为为是是两两者者在在B B处处瞬瞬间间完完成成的的（没没有有位位移移），此此过过程程是是完完全全非非弹弹性碰撞性碰撞，水平方向的动量守恒；，水平方向的动量守恒；设小球碰后的速度为设小球碰后的速度为v两两者者一一起起上上升升的的过过程程与与第第一一阶阶段段相相似似，是是机机械械能守恒的过程。能守恒的过程。18第18页，本讲稿共51页三阶段得到的三

9、个关系联立解得三阶段得到的三个关系联立解得 19第19页，本讲稿共51页例例2:2:“哥伦比亚哥伦比亚”号失事原因中的力学模型号失事原因中的力学模型 20032003年年2 2月月1 1日日,美国美国“哥伦比哥伦比亚亚”号航天飞机在返回途中飞号航天飞机在返回途中飞临德州上空时解体坠毁临德州上空时解体坠毁.20第20页，本讲稿共51页“哥伦比亚哥伦比亚”号事故的直接技术原因号事故的直接技术原因这架航天飞机发射升空秒后，从其外这架航天飞机发射升空秒后，从其外部燃料箱外脱落的一块泡沫材料撞上了航天飞部燃料箱外脱落的一块泡沫材料撞上了航天飞机左翼前缘的热保护部件并形成了裂孔。月机左翼前缘的热保护部件并

10、形成了裂孔。月日，当航天飞机重返大气层时，超高温气体日，当航天飞机重返大气层时，超高温气体从裂孔处进入了从裂孔处进入了“哥伦比亚哥伦比亚”号机体，引发了号机体，引发了一系列连锁反应，造成航天飞机解体，名宇一系列连锁反应，造成航天飞机解体，名宇航员全部遇难。航员全部遇难。20032003年年2 2月月5 5日新闻发布会公布的数据日新闻发布会公布的数据:撞击的撞击的泡沫块质量约泡沫块质量约1.3kg,1.3kg,撞击速度约撞击速度约250m/s,250m/s,航天飞航天飞机的速度约机的速度约700m/s.700m/s.21第21页，本讲稿共51页完全非弹性碰撞模型完全非弹性碰撞模型设航天飞机质量为

11、设航天飞机质量为M，飞行速度为，飞行速度为v；泡沫块质量；泡沫块质量为为m，撞击速度为，撞击速度为v0，速度方向与航天飞机飞行的，速度方向与航天飞机飞行的方向在同一直线上二者相撞后的共同速度为方向在同一直线上二者相撞后的共同速度为v沿航天飞机运动的方向取坐标轴沿航天飞机运动的方向取坐标轴由动量守恒定律得：由动量守恒定律得：22第22页，本讲稿共51页“+（-）”泡沫块与航天飞机运动方向相同（反）泡沫块与航天飞机运动方向相同（反）泡沫所受平均撞击力：泡沫所受平均撞击力：时间的估算据美时间的估算据美方研究实验数据方研究实验数据23第23页，本讲稿共51页完全弹性正碰撞模型完全弹性正碰撞模型设设:碰

12、撞前泡沫块速度为碰撞前泡沫块速度为v1,航天飞机速度为航天飞机速度为v2；碰；碰撞后泡沫块速度为撞后泡沫块速度为v，仍取航天飞机运动的方向为坐，仍取航天飞机运动的方向为坐标轴由动量守恒和动能守恒可得：标轴由动量守恒和动能守恒可得：24第24页，本讲稿共51页“+”同向运动；同向运动；“-”反向运动反向运动25第25页，本讲稿共51页由上述计算可知，无论采用哪种模型，无论泡沫由上述计算可知，无论采用哪种模型，无论泡沫块的运动方向与航天飞机运动方向相同还是相反，泡块的运动方向与航天飞机运动方向相同还是相反，泡沫块对沫块对“哥伦比亚哥伦比亚”号的平均撞击力的数量级都号的平均撞击力的数量级都达到了达到

13、了 ，该力能够使航天飞机左翼等处的隔，该力能够使航天飞机左翼等处的隔热瓦损坏，最终造成机毁人亡的事故热瓦损坏，最终造成机毁人亡的事故26第26页，本讲稿共51页物质存在的三种状态物质存在的三种状态固、固、液、气液、气液体和气体的各个部分间很容易发生相对液体和气体的各个部分间很容易发生相对运动运动,液体和气体的这种性质称液体和气体的这种性质称流动性流动性具有流动性的物体具有流动性的物体流体流体（液体和气体）（液体和气体）流动性是流体区别于固体的重要特征流动性是流体区别于固体的重要特征.流体力学流体力学是研究流体的运动规律及流体与是研究流体的运动规律及流体与相邻固体之间相互作用的学科相邻固体之间相

14、互作用的学科.27第27页，本讲稿共51页 一一.实际流体的性质实际流体的性质1.1.可压缩性可压缩性 2.2.粘滞性：粘滞性：相邻流层间存在沿界面的一对切向摩擦力，称为相邻流层间存在沿界面的一对切向摩擦力，称为湿摩擦力或粘滞力，流体具有的这种性质叫粘滞湿摩擦力或粘滞力，流体具有的这种性质叫粘滞性。性。28第28页，本讲稿共51页二二.理想流体的稳定流动理想流体的稳定流动1.1.理想流体理想流体:绝对不可压缩绝对不可压缩,完全没有粘滞性的流体完全没有粘滞性的流体.一般情况下，流体流动时，空间各点的流速随一般情况下，流体流动时，空间各点的流速随位置和时间的不同而不同，即位置和时间的不同而不同，即

15、则称该流动为则称该流动为稳定流动稳定流动若流体质点通过空间任一固定点的流速不随若流体质点通过空间任一固定点的流速不随时间变化的流动，即时间变化的流动，即2.稳定流动稳定流动29第29页，本讲稿共51页三、连续性方程三、连续性方程如图，对于一段细流如图，对于一段细流管，任一横截面上各管，任一横截面上各点物理量可看作是均点物理量可看作是均匀的。匀的。dt dt 时间内通过时间内通过 S S1 1 进入流管段的流体质量为，进入流管段的流体质量为，同一时间内通过同一时间内通过S S2 2流出流管段的流体质量为，流出流管段的流体质量为，30第30页，本讲稿共51页三、连续性方程三、连续性方程稳定流动则有

16、稳定流动则有即即 稳定流动稳定流动时的时的连续性方程连续性方程流体作流体作稳定流动稳定流动时，同一流管中任一截面处的流时，同一流管中任一截面处的流体密度体密度 、流速、流速 v v 和该截面面积和该截面面积 S S 的乘积为一的乘积为一常量。常量。31第31页，本讲稿共51页三、连续性方程三、连续性方程若流体不可压缩若流体不可压缩 (1 1=2 2)，则，则不可压缩不可压缩的流体作的流体作定常流动定常流动时，流管的横截面积时，流管的横截面积与该处平均流速的乘积为一常量。与该处平均流速的乘积为一常量。稳定流动稳定流动时的时的连续性方程连续性方程S大v小 ；S小 v大32第32页，本讲稿共51页

17、伯努利方程伯努利方程如图，在一弯曲管中，如图，在一弯曲管中，稳流着不可稳流着不可压缩的密度为压缩的密度为 的流体的流体.pa=p1、Sa=S1,pb=p2,Sb=S2 ，求流体的压强求流体的压强 p 和和速率速率 v 之间的关系之间的关系33第33页，本讲稿共51页 取如图所示坐标，在取如图所示坐标，在 时间内时间内 、处流体分别移动处流体分别移动 、34第34页，本讲稿共51页=常量常量初态初态末态末态35第35页，本讲稿共51页=常量常量36第36页，本讲稿共51页若将流管放在水平面上，即若将流管放在水平面上，即常量常量 伯努利方程伯努利方程则有则有常量常量37第37页，本讲稿共51页常量

18、常量即即若若则则结论结论理想流体在做稳定流动时，流速大的地方压理想流体在做稳定流动时，流速大的地方压强小，流速小的地方压强大强小，流速小的地方压强大38第38页，本讲稿共51页例例1 1一大蓄水池一大蓄水池,下面开一小孔放水下面开一小孔放水.设水面到小设水面到小孔中心的高度为孔中心的高度为h,求小孔处的流速求小孔处的流速vB B.解：解：取自由液面处一点取自由液面处一点A及小孔处及小孔处B点点,应用伯努应用伯努利方程利方程39第39页，本讲稿共51页代入已知条件得代入已知条件得结论：结论：小孔流速小孔流速与物体自水面自与物体自水面自由由 降降落到小孔处的速落到小孔处的速度相同度相同。40第40

19、页，本讲稿共51页例例2 2：范丘里流量计：范丘里流量计 范丘里流量计是一种最简单的流量计，范丘里流量计是一种最简单的流量计，测量测量时如图放置。在时如图放置。在ABAB两点处取截面两点处取截面S SA ASSB B，应用伯努，应用伯努利方程利方程将将 PA A-PB B=gh,代入上式得代入上式得41第41页，本讲稿共51页例例3 3 利用一管径均匀的虹吸管从水库中引水，其最利用一管径均匀的虹吸管从水库中引水，其最高点高点B B比水库水面高比水库水面高3.0m，管口，管口C C比水库水面低比水库水面低5.0m,求虹吸管内水的流速和求虹吸管内水的流速和B B点处的压强点处的压强.解解（1 1）

20、A A、C C两点应用伯努利方程两点应用伯努利方程42第42页，本讲稿共51页(2)(2)对对B B、C C两点应用伯努利方程两点应用伯努利方程 由于由于P PC C=P=P0 0,则有则有由此可见，虹吸管最高处的压强比大气压强小由此可见，虹吸管最高处的压强比大气压强小43第43页，本讲稿共51页1 1、常用定理定律关系、常用定理定律关系 由牛顿第二定律推出：由牛顿第二定律推出：动量定理动量定理动能定理动能定理机械能守恒定律机械能守恒定律动量守恒定律动量守恒定律功能原理功能原理角动量定理角动量定理角动量守恒定律角动量守恒定律 解决问题的思路按此顺序倒过来，解决问题的思路按此顺序倒过来，首首先考

21、虑用守恒定律解决问题。先考虑用守恒定律解决问题。若要求力的细若要求力的细节则必须用牛顿第二定律。节则必须用牛顿第二定律。44第44页，本讲稿共51页范围：惯性系、宏观低速运动（只有动量守恒、范围：惯性系、宏观低速运动（只有动量守恒、角动量守恒、能量守恒对宏观、微观都适用）。角动量守恒、能量守恒对宏观、微观都适用）。2、各定理、定律的适用条件，适用范围。各定理、定律的适用条件，适用范围。3、势能零点、势能零点有些综合问题，既有重力势能，又有弹性势能，有些综合问题，既有重力势能，又有弹性势能，注意各势能零点的位置，不同势能零点位置可注意各势能零点的位置，不同势能零点位置可以同，以同，也可以不同。（

22、问：一般选哪里为势能也可以不同。（问：一般选哪里为势能零点？）零点？）45第45页，本讲稿共51页1、一弹性球沿垂直于墙壁的水平方向与墙壁、一弹性球沿垂直于墙壁的水平方向与墙壁碰撞，设球的质量为碰撞，设球的质量为m，碰撞前后的速度大，碰撞前后的速度大小相等（都是小相等（都是v），方向相反，有人认为：），方向相反，有人认为：墙在球碰撞前后并未运动，其球对墙作用墙在球碰撞前后并未运动，其球对墙作用的冲量为零，试据理评论此说法。的冲量为零，试据理评论此说法。讨论讨论 2、下列各物理量中，与参照系有关的物理、下列各物理量中，与参照系有关的物理量是哪些？（不考虑相对论效应）量是哪些？（不考虑相对论效应）

23、(1)质量质量 (2)动量动量 (3)冲量冲量 (4)动能动能 (5)势能势能 (6)功功作业：习题册作业：习题册P13P13 51，52，62，6946第46页，本讲稿共51页 3.3.两木块两木块A、B质量分别为质量分别为m1、m2,用劲度系数为用劲度系数为k的轻弹簧相连使弹簧压缩的轻弹簧相连使弹簧压缩x x0 0,并且用线扎住并且用线扎住,放在光滑放在光滑的水平面上的水平面上,木块木块A A紧靠紧靠,然后烧断扎线然后烧断扎线,判断下列说法判断下列说法中哪一个正确中哪一个正确?B.B.在上述过程中在上述过程中,系统机械能守恒系统机械能守恒.C.AC.A离开墙后离开墙后,系统动量守恒系统动量

24、守恒,机械能守恒机械能守恒.D.AD.A离开墙后离开墙后,系统的机械能为系统的机械能为 ,总动量为零总动量为零.BA.A.弹簧在由初态恢复为原长弹簧在由初态恢复为原长的过程中的过程中,以以A A、B B弹簧为系统弹簧为系统,动量守恒动量守恒.47第47页，本讲稿共51页 4 4 如图所示，质量为如图所示，质量为m m的小球，以水平速度的小球，以水平速度 与在光滑桌面上的质量为与在光滑桌面上的质量为m m0 0的静止斜劈作完的静止斜劈作完全弹性碰撞后竖直弹起，则斜劈的运动速度全弹性碰撞后竖直弹起，则斜劈的运动速度值值v=v=，小球上升高度小球上升高度h=h=.48第48页，本讲稿共51页5.5.

25、如图所示如图所示,水平放置的轻弹簧水平放置的轻弹簧,劲度系数为劲度系数为k,k,其其一端固定一端固定,另一端系一质量为另一端系一质量为m m的滑块的滑块A.AA.A旁又有旁又有一质量相同的滑块一质量相同的滑块B,B,设两滑块与桌面间无摩擦设两滑块与桌面间无摩擦.若用外力将若用外力将A A、B B一起推压弹簧一起推压弹簧,使弹簧压缩距使弹簧压缩距离为离为d d而静止而静止,然后撤去外力然后撤去外力,则则B B离开时的速度离开时的速度为为 C49第49页，本讲稿共51页6.一力学系统由两个质点组成，它们之间只有引一力学系统由两个质点组成，它们之间只有引力作用。若两质点所受外力的矢量和为零，力作用。

26、若两质点所受外力的矢量和为零，则此系统则此系统动量、机械能以及对一轴的角动量都守恒。动量、机械能以及对一轴的角动量都守恒。动量、机械能守恒，角动量是否守恒不能断定动量、机械能守恒，角动量是否守恒不能断定动量守恒，机械能和角动量守恒与否不能断定动量守恒，机械能和角动量守恒与否不能断定动量和角动量守恒，机械能是否守恒不能断定动量和角动量守恒，机械能是否守恒不能断定 50第50页，本讲稿共51页两质量分别为、的小球，用一倔强系数为的轻弹簧相连，放两质量分别为、的小球，用一倔强系数为的轻弹簧相连，放在水平光滑桌面上，如图所示今以等值反向的力分别作在水平光滑桌面上，如图所示今以等值反向的力分别作用于两小球时，若以两小球和弹簧为系统，则系统的用于两小球时，若以两小球和弹簧为系统，则系统的（）动量守恒，机械能守恒。（）动量守恒，机械能守恒。（）动量守恒，机械能不守恒。（）动量守恒，机械能不守恒。（）动量不守恒，机械能守恒（）动量不守恒，机械能守恒（）动量不守恒，机械能不守恒（）动量不守恒，机械能不守恒 51第51页，本讲稿共51页