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在研究力对改变物体的运动状态方面的效果时,牛顿第二定律已作了明确的回答.但是,牛顿定律所要解决的是力的瞬时作用效果,并不直接给出力的持续作用效果.动量定理解决了力的时间积累效果,它不涉及作用的过程,只须知道作用前后的运动量的变化,从而使一些不易处理的较复杂的问题,如:打击、碰撞等问题的解决变得简便.动量守恒定律的应用范围比牛顿定律更为广泛,大至星系的宏观系统,小至基本粒子的微观系统,在一定条件下,动量守恒定律都是成立的.运用动量定理、动量守恒定律时应注意如下几个方面:
一、运用动量定理解题时,极易发生一种错误,即把式F•t=mvt-mYo中的F理解为某一外力或某几个(不是全部)外力的合力.必须注意F是合外力.
[例1]跳伞员从飞机上跳下来时不是立即张开降落伞,而是经过一段时间后降落伞才张开的.如果不张开伞下降的最后速度是50米/秒,而在伞完全张开后的速度是5米/秒,张开伞的时间是1.5秒,并假定跳伞员是竖直下落,则平均冲力为多大?
[错解及分析]根据F•t=mvt-mv0.
∴F=m(vt-vo)/t=mg(vt-vo)/gt=-mg(50-5)/1.5×10=-3mg.
错在哪里呢?动量定理中的F是作用于质点的合外力.跳伞员在张开伞时受到向下的重力mg和向上的平均冲力F,两者属于同一数量级,故重力不可忽略。
[正确解法]取竖直向下的方向为正方向,由
F合•t=mvt-mvo得
(mg-F)•t=mvt-mVo
∴F=-(mvt-mVo)/t+mg=3mg+mg=4mg.
二、动量是矢量,动量定理和动量守恒定律的数学表达式是矢量式,在分析问题时要注意它的方向性.
如果两个物体在同一直线上运动并发生相互作用,必须选某一方向的动量为正,反向的即为负,从而可以把矢量式简化为代数式.若发生的是斜碰,则必须注意碰撞前后的动量和是矢量和,不是代数和.
[例2]一质量为m1=0.3千克的小球,在水平光滑的桌面上以vl=5米/秒的速度向右运动,迎面与一个质量为m2=1千克,速度为v2=3米/秒的小球相碰撞,撞后该小球恰好静止,那么碰撞后小球m1的速度是多大?方向如何?
解:取两个小球为物体系,物体系所受合外力为零,动量守恒,并选取向右为正方向.
m1vl+m2v2=m1v'1+m2v'2,
v'2=0,
∴v'1=(m1vl+m2v2)/m1=[0.3×5+1×(-3)]/0.3=-5(米/秒).
v'1为负,表明v'1与vl方向相反,即方向向左.
三、运用动量守恒定律解题时,必须符合定律成立的条件。
1.系统不受外力,系统的总动量守恒.
2.系统所受的所有外力的矢量和为零,即F合=0,系统的总动量守恒.
3.在系统动量重新分配的过程中,若内力比外力大得多,则动量守恒定律近似成立.象火箭发射,飞行中的手榴弹爆炸都属于这种情况.
4.在系统动量重新分配时,合外力不为零,因而系统的总动量不守恒,但若有外力的矢量和在某方向上的投影等于零,则在该方向上系统的总动量的分量守恒.
[例3]如图所示,设炮车以仰角0发射一炮弹.炮车和炮弹的质量分别为M和m。炮弹在出口时对地速度的大小为vo,求炮车对地的反冲速度.炮车与地面的摩擦力略去不计.
解:把炮车和炮弹看成一个系统.发射前这系统仅在竖直方向上受(M+m)g和地面的支持力N的作用,而且(M+m)g=-N.发射炮弹的过程中,N>(M+m)g,而在水平方向上忽略地面的摩擦力作用,所以在水平方向的动量分量守恒.建立如图所示的坐标系,速度vo沿水平方向的投影为:
VX=VoCOS0.
系统沿水平方向动量守恒.
MvOcos0-Mv=O
∴v=mVo cos0/M.
四、使用动量定理、动量守恒定律解题时,必须在惯性系中进行.
[例4]质量为M=980克的木块A静止在光滑的水平面上,一颗质量为m=20克的子弹以vo=600米/秒的水平速度射入A,经过△t=0.01秒后,子弹相对木块恰好静止(子弹留在木块中),求子弹深入木块过程中受到的平均阻力.
[错解及分析]以木块为参照物研究子弹,其初速vo=600米/秒,相对于木块的末速度v'o=0,设子弹受平均阻力为fB,由动量定理fB•△t=mv'O-mVO得:
fB=(0-600)×20×10-3/0.01 =1200(牛顿).
错在哪里?原来使用动量定理确定子弹速度时,错误地选择了运动的木块为参照物,而运动的木块是非惯性系,所以造成错解.
[正确解法]选择地面为参照物,先用动量守恒定律
mvO=(M+m)v',求子弹的末速度
v1=mvO/(M+m)=20×10-3×600/(980+20)×10-3=12(米/秒).
将v1代人动量定理得:
fB•△t=Mv'-mvO
∴fB=(mv'-mvO)/△t=20×10-3(12-600)/0.01=-1176(牛顿).
一、运用动量定理解题时,极易发生一种错误,即把式F•t=mvt-mYo中的F理解为某一外力或某几个(不是全部)外力的合力.必须注意F是合外力.
[例1]跳伞员从飞机上跳下来时不是立即张开降落伞,而是经过一段时间后降落伞才张开的.如果不张开伞下降的最后速度是50米/秒,而在伞完全张开后的速度是5米/秒,张开伞的时间是1.5秒,并假定跳伞员是竖直下落,则平均冲力为多大?
[错解及分析]根据F•t=mvt-mv0.
∴F=m(vt-vo)/t=mg(vt-vo)/gt=-mg(50-5)/1.5×10=-3mg.
错在哪里呢?动量定理中的F是作用于质点的合外力.跳伞员在张开伞时受到向下的重力mg和向上的平均冲力F,两者属于同一数量级,故重力不可忽略。
[正确解法]取竖直向下的方向为正方向,由
F合•t=mvt-mvo得
(mg-F)•t=mvt-mVo
∴F=-(mvt-mVo)/t+mg=3mg+mg=4mg.
二、动量是矢量,动量定理和动量守恒定律的数学表达式是矢量式,在分析问题时要注意它的方向性.
如果两个物体在同一直线上运动并发生相互作用,必须选某一方向的动量为正,反向的即为负,从而可以把矢量式简化为代数式.若发生的是斜碰,则必须注意碰撞前后的动量和是矢量和,不是代数和.
[例2]一质量为m1=0.3千克的小球,在水平光滑的桌面上以vl=5米/秒的速度向右运动,迎面与一个质量为m2=1千克,速度为v2=3米/秒的小球相碰撞,撞后该小球恰好静止,那么碰撞后小球m1的速度是多大?方向如何?
解:取两个小球为物体系,物体系所受合外力为零,动量守恒,并选取向右为正方向.
m1vl+m2v2=m1v'1+m2v'2,
v'2=0,
∴v'1=(m1vl+m2v2)/m1=[0.3×5+1×(-3)]/0.3=-5(米/秒).
v'1为负,表明v'1与vl方向相反,即方向向左.
三、运用动量守恒定律解题时,必须符合定律成立的条件。
1.系统不受外力,系统的总动量守恒.
2.系统所受的所有外力的矢量和为零,即F合=0,系统的总动量守恒.
3.在系统动量重新分配的过程中,若内力比外力大得多,则动量守恒定律近似成立.象火箭发射,飞行中的手榴弹爆炸都属于这种情况.
4.在系统动量重新分配时,合外力不为零,因而系统的总动量不守恒,但若有外力的矢量和在某方向上的投影等于零,则在该方向上系统的总动量的分量守恒.
[例3]如图所示,设炮车以仰角0发射一炮弹.炮车和炮弹的质量分别为M和m。炮弹在出口时对地速度的大小为vo,求炮车对地的反冲速度.炮车与地面的摩擦力略去不计.
解:把炮车和炮弹看成一个系统.发射前这系统仅在竖直方向上受(M+m)g和地面的支持力N的作用,而且(M+m)g=-N.发射炮弹的过程中,N>(M+m)g,而在水平方向上忽略地面的摩擦力作用,所以在水平方向的动量分量守恒.建立如图所示的坐标系,速度vo沿水平方向的投影为:
VX=VoCOS0.
系统沿水平方向动量守恒.
MvOcos0-Mv=O
∴v=mVo cos0/M.
四、使用动量定理、动量守恒定律解题时,必须在惯性系中进行.
[例4]质量为M=980克的木块A静止在光滑的水平面上,一颗质量为m=20克的子弹以vo=600米/秒的水平速度射入A,经过△t=0.01秒后,子弹相对木块恰好静止(子弹留在木块中),求子弹深入木块过程中受到的平均阻力.
[错解及分析]以木块为参照物研究子弹,其初速vo=600米/秒,相对于木块的末速度v'o=0,设子弹受平均阻力为fB,由动量定理fB•△t=mv'O-mVO得:
fB=(0-600)×20×10-3/0.01 =1200(牛顿).
错在哪里?原来使用动量定理确定子弹速度时,错误地选择了运动的木块为参照物,而运动的木块是非惯性系,所以造成错解.
[正确解法]选择地面为参照物,先用动量守恒定律
mvO=(M+m)v',求子弹的末速度
v1=mvO/(M+m)=20×10-3×600/(980+20)×10-3=12(米/秒).
将v1代人动量定理得:
fB•△t=Mv'-mvO
∴fB=(mv'-mvO)/△t=20×10-3(12-600)/0.01=-1176(牛顿).