2023年冲量动量动量定理精品讲义1.pdf
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1、第五章 动 量 一、考纲要求 碰撞与动量守恒 动量、动量守恒定律及其应用 弹性碰撞和非弹性碰撞 只限于一维 二、知识网络 第 1 讲 冲量 动量 动量定理 一、考情直播 1考纲解读 2考点整合 考点一 动量的概念(1)定义:物体的质量和速度的乘积叫做动量,公式:p=mv(2)动量是描述物体运动状态的一个状态量,它与时刻相对应(3)动量是矢量,它的方向和速度的方向相同(4)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(5)动量的变化:0pppt由于动量为矢量,则求解动量的变化时,其运
2、算遵循平考纲内容 能力要求 考向定位 动量和冲量 理解动量的的概念,知道冲量的意义 理解动量和冲量都是矢量,会计算一维动量变化 理解动量变化和力之间的关系,会用来计算相关问题 考纲对冲量、动量的考查主要集中在对概念的理解和简单应用上,考纲要求为 I 级,动量定理在考纲中没有明确提出来,但是在教材中出现了动量定理的表达式,因此要掌握动量定理的一般应用 冲量、动量、动量定理、动量守恒定律 定义:力和力的作用时间的乘积叫做力的冲量 特征:属于过程量.单位是牛秒 方向:当力的方向不变,冲量的方向为力的方向 力的方向变化,用替代法判断冲量方向 冲量 动量定理 表述:物体所受合力的冲量等于物体的动量变化
3、表达式:Ft=P末-P初=mvt-mv0 实际应用:打击问题等 动量守恒定律 表述:一个系统不受外力或者受外力之和为零,这个系统的总动量保持不变 表达式:22112211vmvmvmvm 实际应用:碰撞,爆炸等 动量 定义:物体的质量和速度的乘积叫做动量 特征:动量是状态量,它与某一时刻相关 动量是矢量,其方向质量物体运动速度的方向 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(6)动量与动能的关系:kmEP2,注意动量是矢量,动能是标量,动量改变,动能不一定改变,但动能改变动量是一定要变的【例
4、 1】如图 6-1-1一个质量是 02kg 的钢球,以 2m/s 的速度射到坚硬的大理石板上,立即反弹,速度大小仍为 2m/s 【解析】取水平向右的方向为正方向,碰撞前钢球的速度v=2m/s,碰撞前钢球的动量为p=mv=022kgm/s=04kgm/s 碰撞后钢球的速度为v=-2m/s,碰撞后钢球的动量为p=mv=-022kgm/s=-04kgm/s 碰撞前后钢球动量的变化为:p=p-p=-04kgm/s-04 kg m/s=-08 kg m/s 且动量变化的方向向左【规律总结】动量是一个矢量,动量的方向和速度方向相同,所以只要物体的速度大小或方向发生变化,动量就一定发生变化例如做匀速直线运动
5、的物体其动量是恒量,而做匀速圆周运动的物体,由于速度方向不断在改变,即使其动量大小不变,但因其方向不断改变,所以其动量是一变量 考点二 冲量的概念(1)定义:力和力的作用时间的乘积叫做冲量:I=Ft(2)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(3)冲量是矢量,它的方向由力的方向决定(不能说和力的方向相同)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(4)高中阶段只要求会用I=F
6、t计算恒力的冲量对于变力的冲量,高中阶段只能利用动量定理通过物体的动量变化来求(5)要注意的是:冲量和功不同恒力在一段时间内可能不作功,但一定有冲量特别是力作用在静止的物体上也有冲量【例 2】恒力F作用在质量为m的物体上,如图 6-1-2所示,由于地面对物体的摩擦力较大,没有被拉动,则经时间t,下列说法正确的是()A拉力F对物体的冲量大小为零 B拉力F对物体的冲量大小为Ft C拉力F对物体的冲量大小是Ftcos D合力对物体的冲量大小为零【解析】按照冲量的定义,物体受到恒力F作用,其冲量为Ft,物体因为静止,合外力为 0,所以合力冲量为 0 图6-1-1 图 6-1-2 于过程量单位是牛秒方向
7、当力的方向不变冲量的方向为力的方向力的方所受合力的冲量等于物体的动量变化表达式实际应用打击问题等末初表量能力要求理解动量的的概念知冲量的意义理解动量和冲量都是矢量会【易错提示】力对物体有冲量作用必须具备力和该力作用下的时间两个条件只要有力并且作用一段时间,那么该力对物体就有冲量作用,所以冲量是过程量需要注意的是冲量和功不同恒力在一段时间内可能不作功,但一定有冲量特别是力作用在静止的物体上也有冲量 考点三 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=p(2)动量定理的理解 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必须是物体所受的合
8、外力的冲量(或者说是物体所受各外力冲量的矢量和)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 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)动量定理的表达式是矢量式在一维的情况下,各个矢量必须以同一个规定的方向为正 遇到涉及力、时间和速度变化的问题时运用动量定理解答往往比运用牛顿运动定律及运动学规律求解简便应用动量定理解题的思路和一般步骤为:(l)明确研究对象和物理过程;(2)分析研究对象在运动过程中的受力情况;(3)选取正方向,确定物体在运动过程中始末两状态的动量;(4)依据动量定理列方程、求解【例 3】一粒钢珠从静止状态开始自由下落,然后陷人泥潭中若
9、把在空中下落的过程称为过程,进人泥潭直到停止的过程称为过程,则()A、过程 I 中钢珠的动量的改变量等于重力的冲量 B、过程中阻力的冲量的大小等于过程 I 中重力的冲量的大小 C、I、两个过程中合外力的总冲量等于零 D、过程中钢珠的动量的改变量等于零【解析】根据动量定理可知,在过程 I 中,钢珠从静止状态自由下落不计空气阻力,小球所受的合外力即为重力,因此钢珠的动量的改变量等于重力的 冲量,选项 A正确;过程I 中阻力的冲量的大小等于过程 I 中重力的冲量的大小与过程中重力的冲量的大小之和,显然 B选项不对;在 I、两个过程中,钢珠动量的改变量各不为零且它们大小相等、方向相反,但从整体看,钢珠
10、动量的改变量为零,故合外力的总冲量等于零,故 C选项正确,D选项错误因此,本题的正确选项为 A、C【规律总结】这种题本身并不难,也不复杂,但一定要认真审题要根据题意所要求的冲量将各个外力灵活组合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,Fmg(3)简解多过程问题【例 4】一个质量为 m=2kg 的物体,在 F1=8N 的水平推力作用下,从静止开始沿水平 面运动了 t1=5s,然后推力减小为 F2=5N,方向不变,物体又运动了 t2=4s 后撤去外力,物体再经 过 t3=6s 停下来试求物体在水平面上所受的摩擦力【解析】:规定推力的方向为正方向,在物体运动
11、的整个过程中,物体的初动量P1=0末动量P2=O 据动量定理有:0)(3212211tttftFtF 即:0)645(4558f Nf4 于过程量单位是牛秒方向当力的方向不变冲量的方向为力的方向力的方所受合力的冲量等于物体的动量变化表达式实际应用打击问题等末初表量能力要求理解动量的的概念知冲量的意义理解动量和冲量都是矢量会【规律总结】由例 4 可知,合理选取研究过程,能简化解题步骤,提高解题速度本题也可以用牛顿运动定律求解同学们可比较这两种求解方法的简繁情况(4)求解平均力问题 【例 5】质量是 60kg 的建筑工人,不慎从高空跌下,由于弹性安全带的保护作用,最后使人悬挂在空中已知弹性安全带缓
12、冲时间为 12s,安全带伸直后长 5m,求安全带所受的平均作用力(g=10m s2)【解 析】人 下 落 为 自 由 落 体 运 动,下 落 到 底 端 时 的 速 度 为:ghV220 smghV/1020 取人为研究对象,在人和安全带相互作用的过程中,人受到重力 mg和安全带给的冲力 F,取 F方向为正方向,由动量定理得:Ft=mVmV0 所以NtmVmgF11000,(方向竖直向下)【注意】动量定理既适用于恒力作用下的问题,也适用于变力作用下的问题如果是在变力作用下的问题,由动量定理求出的力是在 t 时间内的平均值(5)求解恒力作用下的曲线运动问题【例 6】如图 6-1-3 所示,以vo
13、 10m s2的初速度与水平方向成 300角抛出一个质量 m2kg 的小球忽略空气阻力的作用,g 取 10m s2求抛出后第 2s 末小球速度的大小 【解析】小球在运动过程中只受到重力的作用,在水平方向做匀速运动,在竖直方向做匀变速运动,竖直方向应用动量定理得:Fyt=mvy-mvy0 所以 mgt=mvy-(-mv0sin300),解得vy=gt-v0sin300=15m/s而vx=v0cos300=sm/35 在第 2s 未小球的速度大小为:smvvvy/310220【注意】在求解曲线运动问题中,一般以动量定理的分量形式建立方程,即:Fxt=mvx-mvx0;Fyt=mvy-mvy0(5)
14、求解流体问题 【例 7】某种气体分子束由质量 m=5 4X10-26kg 速度 V460m/s 的分子组成,各分子都向同一方向运动,垂直地打在某平面上后又以原速率反向弹回,如分子束中每立方米的体积内有 n015X1020个分子,求被分子束撞击的平面所受到的压强【解析】设在t 时间内射到 S 的某平面上的气体的质量为M,则:mntSVM0.取M为研究对象,受到的合外力等于平面作用到气体上的压力F以V方向规定为正方向,由动量定理得:-F t=MV-(-M V),解得SmnVF022,平面受到的压强 P 为:aPmnVSFP428.32/02【注意】处理有关流体(如水、空气、高压燃气等)撞击物体表面
15、产生冲力(或压强)的V0 300 图 6-1-3 于过程量单位是牛秒方向当力的方向不变冲量的方向为力的方向力的方所受合力的冲量等于物体的动量变化表达式实际应用打击问题等末初表量能力要求理解动量的的概念知冲量的意义理解动量和冲量都是矢量会问题,可以说非动量定理莫属解决这类问题的关键是选好研究对象,一般情况下选在极短时间t 内射到物体表面上的流体为研究对象(6)对系统应用动量定理【例 8】如图 6-1-4所示,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,那么拖车刚停下时
16、,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/g,末状态拖车的动量为零全过程对系统用动量定理可得:0/0/0,VMggamMVVmMMVgVamM【注意】这种方法只能用在拖车停下之前因为拖车停下后,系统受的合外力中少了拖车受到的摩擦力,因此合外力大小不再是amM 二、高考热点探究 一般而言,高考中对冲量、动量的考查主要集中在对概念的理解和简单应用,动量定理的一般应用及对现象的解析【真题 1】(2006全国理综)一位质量为m的运动员从下蹲状态向上起跳,经t 时间,身体伸直并刚好离开地面,速度为v在此过程中,()A地面对他的冲
17、量为mv+mgt,地面对他做的功为21mv2 B地面对他的冲量为 mv+mg t,地面对他做的功为零 C地面对他的冲量为 mv,地面对他做的功为21mv2 D地面对他的冲量为 mvmgt,地面对他做的功为零【解析】取运动员为研究对象,由动量定理得:0mvtmgF,即tmgmvtFI,运动员地面没有离开地面,地面对运动员的弹力做功为零所以 B选项正确【点评】本题考查了考生对冲量和功这两个概念的理解,冲量和功都是过程量,但决定因素不一样,冲量是力在时间上的积累,而功是力在空间上的积累【真题 2】(2004广东)如图 6-1-5所示,一质量为 m的小球,以初速度0v沿水平方向射出,恰好垂直地射到一倾
18、角为 300的固定斜面上,并立即反方向弹回已知反弹速度的大小是入射速度大小的43,求在碰撞中斜面对小球的冲量大小 图 6-1-5 m V0 V/图6-1-M 图 6-1-4 于过程量单位是牛秒方向当力的方向不变冲量的方向为力的方向力的方所受合力的冲量等于物体的动量变化表达式实际应用打击问题等末初表量能力要求理解动量的的概念知冲量的意义理解动量和冲量都是矢量会 【解析】小球在碰撞斜面前做平抛运动设刚要碰撞斜面时小球速度为v由题意,v的方向与竖直线的夹角为 30,且水平分量仍为v0,如图由此得v2v0 ,碰撞过程中,小球速度由v变为反向的.43v碰撞时间极短,可不计重力的冲量,由动量定理,斜面对小
19、球的冲量为 mvvmI)43(,由、得 027mvI 【点评】本题考查了考生应用动量定理处理变力的冲量的能力,在应用动量定理的时候一定要注意其矢量性【真题 3】(2008 四川卷)如图 6-1-6一倾角为45的斜面固定于地面,斜面顶端离地面的高度h01m,斜面底端有一垂直于斜而的固定挡板在斜面顶端自由释放一质量m0.09kg 的小物块(视为质点)小物块与斜面之间的动摩擦因数0.2 当小物块与挡板碰撞后,将以原速返回重力加速度g10 m/s2在小物块与挡板的前 4 次碰撞过程中,挡板给予小物块的总冲量是多少?【解析】解法一:设小物块从高为h处由静止开始沿斜面向下运动,到达斜面底端时速度为v 由功
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- 2023 冲量 动量 定理 精品 讲义
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