小初高学习学年高中物理 第一章 碰撞与动量守恒 第二节 动量 动量守恒定律教学Word下载.docx
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①若物体做直线运动,只需选定正方向,与正方向相同的动量取正,反之取负,则Δp=p2-p1,即可将矢量运算转化为代数运算,若Δp是正值,就说明Δp的方向与所选正方向相同;
若Δp是负值,则说明Δp的方向与所选正方向相反。
②若初、末状态动量不在一条直线上,则按平行四边形定则求得Δp的大小和方向,这时Δp、p为邻边,p′(末动量)为平行四边形的对角线。
(图1-2-1)
图1-2-1
(1)动量是矢量,两个物体的动量相等,说明其大小相等,方向也相同。
(2)动量与动能都是描述物体运动状态的物理量,其大小关系为Ek=
或p=
;
但两者有本质区别,动量是矢量,动能是标量。
1.(双选)关于动量的概念,下列说法正确的是( )
A.动量大的物体惯性一定大
B.动量大的物体运动一定快
C.动量相同的物体,运动方向一定相同
D.动量相同的物体,速度小的惯性大
解析:
动量大的物体,质量不一定大,惯性也不一定大,A错;
同样,动量大的物体,速度也不一定大,B也错;
动量相同指动量的大小和方向均相同,而动量的方向就是物体运动的方向,故动量相同的物体,运动方向一定相同,C对;
动量相同的物体,速度小的质量大,惯性大,D也对。
答案:
CD
冲 量
1.定义
物体受到的力和力的作用时间的乘积叫做力的冲量,用符号I表示。
2.定义式
I=F·
t。
3.单位
在国际单位制中,冲量的单位是牛·
4.方向
冲量是矢量:
如果力的方向恒定,则冲量I的方向与力的方向相同;
如果力的方向是变化的,则冲量的方向应与相应时间内物体动量变化量的方向相同。
5.物理意义
冲量是描述力对物体作用时间的累积效果的物理量,力越大,力的作用时间越长,冲量越大。
6.绝对性
由于力和时间均与参考系的选取无关,所以力的冲量与参考系的选取无关。
7.冲量的计算
(1)恒力的冲量。
公式I=Ft仅适用于计算恒力的冲量,这时冲量等于力与作用时间的乘积,冲量的方向与恒力方向一致。
若力为同一方向均匀变化的力,该力的冲量可以用平均力计算。
图1-2-2
(2)变力的冲量。
①变力的冲量通常利用动量定理I=Δp求解。
②可用图像法计算,如图1-2-2,若某一力方向恒定不变,那么在F-t图像中,图中阴影部分的面积就表示力在时间Δt=t2-t1内的冲量。
(3)合冲量的计算
①若合外力是恒力,可先求出合力,再由F合t求冲量。
②若受几个力,且几个力均为恒力,可用F1t+F2t+……(矢量和)求合冲量。
③若在全过程中受力情况不同,对应时间不同,可求每个力的冲量,然后矢量合成,即利用F1t1+F2t2+……求合冲量。
(1)冲量是矢量,但冲量的方向不一定就是力的方向,恒力的冲量方向与力的方向一致。
(2)冲量是过程量,它反映的是力在一段时间内的积累效果。
所以,它取决于力和时间两个因素。
求冲量时一定要明确是哪一个力在哪一段时间内的冲量。
2.关于冲量的概念,以下说法正确的是( )
A.作用在两个物体上的力大小不同,但两个物体所受的冲量大小可能相同
B.作用在物体上的力很大,物体所受的冲量一定也很大
C.作用在物体上的力的作用时间很短,物体所受的冲量一定很小
D.只要力的作用时间和力的乘积相同,物体所受的冲量一定相同
由I=Ft可知,只要力与时间的乘积相同,则物体所受冲量大小相同,A对。
力很大,但如果作用时间很短,冲量可能很小;
同理时间很短,但如果力很大,冲量可能很大,故B、C错。
尽管力和时间的乘积相同,若力的方向不同,则冲量不同,D错。
A
动量定理
1.内容:
2.表达式:
Ft=pt-p0=mvt-mv0或I合=Δp。
3.因果关系
合外力的冲量是引起物体动量改变的原因。
4.对动量定理的理解
(1)动量定理的研究对象是单个物体或系统。
(2)动量定理的表达式是一个矢量式,应用动量定理时需要规定正方向。
(3)动量定理公式中F是研究对象所受的包括重力在内的所有外力的合力,它可以是恒力,也可以是变力。
当合外力为变力时,F应该是合外力在作用时间内的平均值。
(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。
(5)动量定理不仅适用于宏观物体的低速运动,对微观物体和高速运动仍然适用。
(1)动量定理反映了物体在受到力的冲量作用时,其状态发生变化的规律,它反映的因果关系为:
合外力的冲量是引起物体动量变化的原因。
(2)动量定理与牛顿第二定律实质相同,但前者表示的是力的累积效果,而后者表示的是力的瞬时效果。
3.物体受到的冲量越大,则( )
A.它的动量一定越大
B.它的动量变化一定越快
C.它的动量的变化量一定越大
D.它所受到的作用力一定越大
由动量定理I合=Δp可知,冲量越大,则动量变化越大,而与动量无关,故A错C对。
若力很小,则动量变化会很慢,B错,若力持续时间很长,则它所受到的作用力可能很小,D错。
C
动量守恒定律
1.系统、内力和外力
(1)系统:
当研究两个物体相互碰撞时,可以把具有相互作用的两个物体称为系统。
(2)外力:
系统外部的其他物体对系统的作用力叫外力。
(3)内力:
系统内部物体间的相互作用力叫内力。
2.动量守恒定律
(1)内容:
物体在碰撞时如果系统所受到的合外力为零,则系统的总动量保持不变。
(2)表达式:
①p=p′
即系统相互作用前的总动量p和相互作用后的总动量p′大小相等,方向相同。
系统总动量的求法遵循矢量运算法则。
②Δp=p′-p=0。
即系统总动量的增量为零。
③Δp1=-Δp2。
即将相互作用的系统内的物体分为两部分,其中一部分动量的增加量等于另一部分动量的减少量。
④当相互作用前后系统内各物体的动量都在同一直线上时,动量守恒定律可表示为代数式:
m1v1+m2v2=m1v1′+m2v2′。
应用此式时,应先选定正方向,将式中各矢量转化为代数量,用正、负号表示各自的方向。
式中v1、v2为初始时刻的瞬时速度,v1′、v2′为末时刻的瞬时速度,且它们一般均以地球为参照物。
(3)研究对象:
相互作用的物体组成的系统
(4)成立的条件
①系统不受外力作用时,系统动量守恒;
②系统受外力但所受外力之和为零,则系统动量守恒;
③系统所受合外力虽然不为零,但系统的内力远大于外力时,如碰撞、爆炸等现象中,系统的动量可看成近似守恒;
④系统总的来看不符合以上三条中的任意一条,则系统的总动量不守恒。
但是,若系统在某一方向上符合以上三条中的某一条,则系统在该方向上动量守恒。
(5)适用范围
它是自然界最普遍,最基本的规律之一。
不仅适用于宏观、低速领域,而且适用于微观、高速领域。
小到微观粒子,大到天体,无论内力是什么性质的力,只要满足守恒条件,动量守恒定律总是适用的。
动量守恒定律中的“总动量保持不变”,不仅指系统在初、末两个时刻的总动量相等,而且指系统在整个过程中任意两个时刻的总动量相等。
4.(双选)放在光滑水平面上的A、B两小车中间夹了一压缩轻质弹簧,用两手控制小车处于静止状态,下列说法正确的是( )
A.两手同时放开,两车的总动量等于零
B.先放开右手,后放开左手,两车的总动量向右
C.先放开右手,后放开左手,两车的总动量向左
D.先放开右手,后放开左手,两车的总动量为零
若两手同时放开小车,则两车组成的系统所受外力之和为零,总动量守恒;
若先放开右手,后放开左手,则在此过程中,左手对车有向右的冲量作用,两车的总动量向右,故A、B对,C、D错。
AB
对动量和冲量的理解
图1-2-3
[例1] 如图1-2-3所示,两个质量相等的物体A、B从同一高度沿倾角不同的两光滑斜面由静止自由滑下,在到达斜面底端的过程中,下列说法正确的是( )
A.两物体所受重力的冲量相同
B.两物体所受合外力的冲量相同
C.两物体到达斜面底端时的动量不同
D.两物体到达斜面底端时的动量水平分量相同
[解析] 设斜面倾角为θ,高为h,物体质量为m,
则物体滑到底端的时间
t=
=
·
。
下滑过程中的合外力F合=mgsinθ。
重力冲量IG=mgt=
,θ不同,IG不同,A错误;
合外力冲量I合=mgtsinθ=m
,大小相同,方向不同,B错误;
到底端时的动量p=mv=m
,大小相同,方向不同,C正确;
动量的水平分量px=mvcosθ=m
cosθ,θ不同,大小不等,D错误。
[答案] C
(1)冲量和动量都是矢量,要比较它们,既要比较它们的大小,还要比较它们的方向。
两者都相同时,矢量才相同。
(2)计算力的冲量时,一定要搞清楚是求合力的冲量还是某一个力的冲量,另外公式I=F·
t仅适用于恒力冲量的计算。
(3)求合力的冲量时,可直接利用定义式I=F合·
t来求,也可以利用合力的冲量等于各外力冲量的矢量和来求,还可以利用I合=Δp来求。
图1-2-4
1.如图1-2-4所示,在倾角α=37°
的斜面上,有一质量为5kg的物体沿斜面滑下,物体与斜面间的动摩擦因数μ=0.2,求物体下滑2s的时间内
(1)物体所受各力的冲量。
(2)物体所受合力的冲量。
(g取10m/s2,sin37°
=0.6,cos37°
=0.8)
(1)对物体受力分析可得重力G=50N,支持力FN=mgcosθ=40N,摩擦力f=μmgcosθ=8N,合力F=mgsinθ-μmgcosθ=22N
故重力冲量IG=mgt=100N·
s 方向竖直向下
支持力冲量IFN=FN·
t=80N·
s 方向垂直斜面向上
摩擦力冲量If=f·
t=16N·
s 方向沿斜面向上。
(2)合力冲量I合=F合t=44N·
s 方向沿斜面向下
(1)IG=100N·
IFN=80N·
If=16N·
s 方向沿斜面向上
(2)I合=44N·
动量定理的简单应用
[例2] 在撑竿跳比赛的横杆下方要放上很厚的海绵垫子,为什么?
设一位撑竿跳运动员的质量为70kg,越过横杆后从h=5.6m高处落下,落在海绵垫上和落在普通沙坑里分别经历时间Δt1=1s,Δt2=0.1s停下。
试比较两种情况下海绵垫和沙坑对运动员的作用力大小关系。
[解析] 运动员从接触海绵垫或沙坑,直到停止,两种情况下运动员的动量变化量相同,即从动量p=mv=m
,变化到p′=0。
在这个过程中,运动员除受到竖直向下的重力外,还受到海绵垫或沙坑的支持力。
若规定竖直向上为正方向,则运动员着地(接触海绵或沙坑)过程中的始、末动量为
p=mv=-m
,p′=0
受到的合外力为F合=FN-mg。
由动量定理得
F合·
t=p′-p=mv′-mv
即:
FN-mg=
,
所以:
FN=mg+
落在海绵垫上时,Δt1=1s,则
FN1=(70×
10+
)N≈1441N
落在沙坑里时,Δt2=0.1s,则
FN2=(70×
)N≈8108N
两者相比FN2=5.6FN1。
[答案] 见解析
(1)应用动量定理进行计算时,要注意定理表达式的矢量性,在一维情况下通过规定正方向,化矢量运算为代数运算;
(2)用动量定理解释现象的问题一般分为两类:
一类是在动量变化量一定的情况下,作用时间越短,力就越大,作用时间越长,力就越小;
另一类是在作用力一定的情况下,作用时间越短,动量的变化量就越小,作用时间越长,动量的变化量就越大。
2.如图1-2-5所示,在光滑水平面上,有甲、乙两个小球,甲球质量为1kg,乙球质量为10kg,甲球正以10m/s的速度向右移动,乙球静止。
甲、乙两球碰撞后,甲球以大小为5m/s的速度反向弹回,甲、乙两球碰撞时间为0.01s。
求:
碰撞过程中,乙球对甲球的平均作用力。
图1-2-5
设向右为正方向,对甲球由动量定理得
Ft=m甲v′甲-m甲v甲
可得F=
N
=-1500N
负号说明乙球对甲球的作用力方向向左。
1500N 方向向左
动量守恒的判断
[例3] 把一支枪水平固定在小车上,小车放在光滑的水平地面上,枪发射出子弹时,关于枪、子弹和小车的下列说法中正确的是( )
A.枪和子弹组成的系统动量守恒
B.枪和小车组成的系统动量守恒
C.若忽略不计子弹和枪筒间的摩擦,枪、小车和子弹组成的系统动量才近似守恒
D.枪、子弹和小车组成的系统动量守恒
[解析] 枪发射子弹的过程中,它们的相互作用力是火药的爆炸力和射出子弹时子弹与枪管的摩擦力,此过程中枪和小车一起在水平地面上做变速运动,枪和小车之间也有相互作用力,如果选取枪和子弹为系统,则小车给枪的力为外力,故A错误;
如果选取枪和小车为系统,则子弹给枪的力为外力,B错误;
如果以小车、枪、子弹组成的系统为研究对象,则子弹和枪筒之间的摩擦不是外力,故不存在忽略的问题,C错误。
子弹、枪、小车组成的系统水平方向上不受外力,故整体动量守恒,D项正确。
[答案] D
(1)在同一物理过程中,系统的动量是否守恒,与系统的选取密切相关,因此,在应用动量守恒定律解题时,一定要明确在哪一过程中哪些物体组成的系统动量守恒。
(2)对研究对象进行正确的受力分析,分清内力和外力是判断系统动量是否守恒的关键。
3.(浙江高考自选模块)如图1-2-6所示,甲木块的质量为m1,以v的速度沿光滑水平地面向前运动,正前方有一静止的、质量为m2的乙木块,乙上连有一轻质弹簧。
甲木块与弹簧接触后( )
图1-2-6
A.甲木块的动量守恒
B.乙木块的动量守恒
C.甲、乙两木块所组成系统的动量守恒
D.甲、乙两木块所组成系统的动能守恒
两木块在光滑水平地面上相碰,且中间有弹簧,则碰撞过程系统的动量守恒,机械能也守恒,故选项A、B错误,选项C正确。
甲、乙两木块碰撞前、后动能总量不变,但碰撞过程中有弹性势能,故动能不守恒,只是机械能守恒,选项D错误。
1.竖直向上抛出一个物体,若不计阻力,取竖直向上为正,则该物体动量随时间变化的图像是图1中的( )
图1
取竖直向上为正方向,竖直上抛物体的速度先正向均匀减小,后负向均匀增大,故物体的动量先正向均匀减小,后负向均匀增大。
2.对于质量不变的物体,下列说法正确的是( )
A.物体的动量发生变化,其动能一定变化
B.物体的动量发生变化,其动能不一定变化
C.物体的动能不变,其动量不变
D.物体的动能发生变化,其动量不一定变化
动量是矢量,速度的大小或方向的变化均能引起动量的变化,而动能是标量,只有速度大小的变化才能引起它的改变,故B对,A、C、D错。
B
3.质量为m的木箱放在光滑的水平地面上,在与水平方向成θ角的恒定拉力F作用下由静止开始运动,经过时间t速度变为v,则在这段时间内拉力F和重力产生的冲量大小分别为( )
A.Ft,0 B.Ftcosθ,0
C.mv,mgtD.Ft,mgt
木箱所受的拉力F和重力mg都是恒力,可根据冲量的定义直接计算其冲量大小。
由冲量的定义I=Ft可知,在作用时间t内,拉力的冲量为Ft,重力的冲量为mgt。
D对。
D
4.(双选)质量为m的物体以速度v0从地面竖直上抛(不计空气阻力)到落回地面,在此过程中( )
A.上升过程和下落过程中动量的变化均为mv0,但方向相反
B.整个过程中重力的冲量大小为2mv0
C.整个过程中重力的冲量为0
D.上升过程重力的冲量大小为mv0,方向向下
某个力的冲量等于这个力与作用时间的乘积,也可用过程中的动量变化来表示。
BD
5.一质量为m的铁锤,以速度v竖直打在木桩上,经过Δt时间而停止,则在打击时间内,铁锤对木桩的平均冲力的大小是( )
A.
+mg B.
-mg
C.mg·
ΔtD.
取向上为正方向,在铁锤打击木桩过程中,由动量定理得:
(F-mg)Δt=0-(-mv)
解得F=
+mg,故A对。
6.(双选)下面关于物体动量和冲量的说法正确的是( )
A.物体所受合外力冲量越大,它的动量也越大
B.物体所受合外力冲量不为零,它的动量一定要改变
C.物体动量的方向,就是它所受冲量的方向
D.物体所受合外力越大,它的动量变化就越快
由动量定理Ft=Δp可知,合外力冲量越大,则动量变化一定越大,但物体的动量不一定越大,A错。
只要Ft不为零,则Δp不为零,B对。
动量增量的方向就是物体所受冲量的方向,而物体动量的方向与物体的运动方向一致,C错。
由Ft=Δp可得F=
,故合外力越大,物体的动量变化越快,D对。
图2
7.质量为1kg的物体做变速直线运动,它的速度—时间图像如图2所示,则该物体在前10s内与后10s内两段时间所受合外力的冲量分别是( )
A.10N·
s,10N·
s
B.10N·
s,-10N·
C.0,10N·
D.0,-10N·
由动量定理可得,前10s内合外力的冲量I1=Δp1=0,后10s内合外力的冲量I2=Δp2=mv2′-mv2=1×
(-5)kg·
m/s-1×
5kg·
m/s=-10kg·
m/s=-10N·
s,选项D对。
8.如图3所示,A、B两物体质量之比mA∶mB=3∶2,原来静止在平板小车C上,A、B间有一根被压缩的弹簧,地面光滑,当两物体被同时释放后,则以下说法错误的是( )
图3
A.若A、B与平板车上表面间的动摩擦因数相同,A、B组成的系统动量守恒
B.若A、B与平板车上表面间的动摩擦因数相同,A、B、C组成的系统动量守恒
C.若A、B所受的摩擦力大小相等,A、B组成的系统动量守恒
D.若A、B所受的摩擦力大小相等,A、B、C组成的系统动量守恒
弹簧突然释放后,A、B受到平板车的滑动摩擦力f=μ·
FN,FNA>FNB,若μ相同,则fA>fB,A、B组成的系统合外力不等于零,故A、B组成的系统动量不守恒,选项A不正确;
若A、B与小车C组成系统,A与C、B与C的摩擦力则为系统内力,A、B、C系统受到的合外力为零,故A、B、C系统动量守恒,选项B、D正确;
若A、B组成系统,A、B受到的摩擦力合力为零,该系统动量也是守恒的,选项C正确。
9.甲、乙两船静止在湖面上,总质量分别是m1、m2,两船相距s,甲船上的人通过绳子,用力F拉乙船,若水对两船的阻力大小均为f,且f<
F,则在两船相向运动的过程中( )
A.甲船的动量守恒
B.乙船的动量守恒
C.甲、乙两船的总动量守恒
D.甲、乙两船的总动量不守恒
甲、乙每只小船所受的合外力不为零,动量不守恒,甲、乙两船组成的系统所受的合外力为零,总动量守恒。
C
10.如图4所示,质量为M的小车置于光滑的水平面上,车的上表面粗糙,有一质量为m的木块以初速度v0水平地滑至车的上表面,若车表面足够长,则( )
图4
A.木块的最终速度为
v0
B.由于车表面粗糙,小车和木块所组成的系统动量不守恒
C.车表面越粗糙,木块减少的动量越多
D.车表面越粗糙,小车获得的动量越多
木块和小车间存在摩擦,为内力,系统所受合外力为零,动量守恒,由mv0=(M+m)v,可知木块和小车最终有共同速度v=
车面越粗糙,滑动摩擦力越大,但木块减少的动量和小车增加的动量不变。
图5
11.如图5所示,将质量m=1kg的小球,从距水平地面高h=5m处,以v0=10m/s的水平速度抛出,不计空气阻力,g取10m/s2。
(1)平抛运动过程中小球竖直方向上动量的增量Δp;
(2)小球落地时的动量p′;
(3)飞行过程中小球所受的合外力的冲量I。
(1)小球做平抛运动,由h=
gt2可得
=
s=1s。
故平抛过程中小球竖直方向上动量的增量Δp为
Δp=mv-0=mgt=1×
10×
1kg·
m/s
=10kg·
(2)小球落地时的速度vt=
m/s=10
m/s。
速度与水平方向夹角θ:
tanθ=
=1,得θ=45°
故小球落地时动量p′=mvt=10
kg·
m/s,方向与水平方向成45°
斜向下。
(3)飞行过程中小球所受合外力的冲量
I合=F合t=10N·
s,方向竖直向下。
(1)10kg·
m/s
(2)10
m/s 方向与水平成45°
斜向下 (3)10N·
12.如图6所示的是A、B两滑块碰撞前后的闪光照片示意图(部分)。
图中滑块A的质量为0.14kg,滑块B的质量为0.22kg,所用标尺的最小分度值是0.5cm,每秒闪光10次。
试根据图回答:
图6
(1)作用前后滑块A动量的增量为多少?
方向如何?
(2)碰撞前后总动量是否守恒?
从图中A、B两位置的变化可得知,作用前,B是静止的;
作用后B向右运动,A向左运动。
图中相邻两刻线间的距离为0.5cm,碰前,A物在
s内的位移为0.5×
10cm=5cm=0.05m。
碰后,A物向左移动,位移约为0.5cm=0.005m,B物向右移,位移为
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