动量定理习题

发布 2022-09-14 12:08:28 阅读 8508

教学目标:进一步明确动量定理的物理意义,学会用动量定理解决实际问题的方法。

教学重点:动量定理的应用步骤、方法。

教学难点:动量定理的矢量表达、受力分析以及物理量与过程的统一。

教学方法:讲练结合。

教学过程:复习引入】:动理定理的内容、表达式:ft=mv′-mv 各物理量的含义。

说明:矢量性、因果性(合外力的冲量是动量变化的原因)、广泛性(变力和恒力匀适用)。

体现一种直接和间接计算冲量和动量的方法。

讲授新课】一、动量定理巧用。

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。

1、简解多过程问题。

例1、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。

分析与解:规定推力的方向为正方向,在物体运动的整个过程中,物体的初动量p1=0, 末动量p2=o。据动量定理有:

即: ,解得

说明:由例可知,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。

2、求解平均力问题

例2 、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.已知弹性安全带缓冲时间为1.2s,安全带伸直后长5m,求安全带所受的平均冲量.( g= 10m/s2)

分析与解:人下落为自由落体运动,下落到底端时的速度为:

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=mv—mv0

所以,(方向竖直向下)

说明: 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.

3、求解曲线运动问题。

例3、 如图所示,以vo =10m/s2的初速度、与水平方向成300角抛出一个质量m=2kg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.

分析与解: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-(

解得vy=而vx=

在第2s未小球的速度大小为:

说明: 动量定理不仅适用于物体做直线运动的问题,而且也适用物体做曲线运动的问题,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

4、求解流体问题

例4 、某种气体分子束由质量m=5.4x10-26kg速度v=460m/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n0=1.5x1020个分子,求被分子束撞击的平面所受到的压强.

分析与解:设在△t时间**到 s的某平面上的气体的质量为δm,则:

取δm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.δt=δmv-(-解得。

平面受到的压强p为:

说明:处理有关流体(如水、空气、高压燃气等)撞击物体表面产生冲力(或压强)的问题,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**到物体表面上的流体为研究对象。

5、对系统应用动量定理。

系统的动量定理就是系统所受合外力的冲量等于系统总动量的变化。若将系统受到的每一个外力、系统内每一个物体的速度均沿正交坐标系x轴和y轴分解,则系统的动量定理的数学表达式如下:

对于不需求解系统内部各物体间相互作用力的问题,采用系统的动量定理求解将会使求解简单、过程明确。

例5、如图所示, 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μ,那么拖车刚停下时,汽车的瞬时速度是多大?

分析与解: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,该过程经历时间为v0/μg,末状态拖车的动量为零。全过程对系统用动量定理可得:

说明: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。

二、课堂同步检测。

1、高压水枪喷口半径为r,射出的水流速度为v,水平地打在竖直煤壁上后速度变为零.设水的密度为ρ,求高速水流对煤壁的冲击力的大小.答案:

2、质量为m的小球,从沙坑上方自由下落,经过时间t1到达沙坑表面,又经过时间t2停在沙坑里。

求:⑴沙对小球的平均阻力f;

小球在沙坑里下落过程所受的总冲量i。

解:设刚开始下落的位置为a,刚好接触沙的位置为b,在沙中到达的最低点为c。

在下落的全过程对小球用动量定理:重力作用时间为t1+t2,而阻力作用时间仅为t2,以竖直向下为正方向,有:

mg(t1+t2)-ft2=0, 解得:

仍然在下落的全过程对小球用动量定理:在t1时间内只有重力的冲量,在t2时间内只有总冲量(已包括重力冲量在内),以竖直向下为正方向,有:

mgt1-i=0,∴i=mgt1

3、如图所示,矩形盒b的质量为m,放在水平面上,盒内有一质量为m的物体a,a与b、b与地面间的动摩擦因数分别μ1、μ2,开始时二者均静止。现瞬间使物体a获取一向右且与矩形盒b左、右侧壁垂直的水平速度v0,以后物体a在盒b的左右壁碰撞时,b始终向右运动。当a与b最后一次碰撞后,b停止运动,a则继续向右滑行距离s后也停止运动,求盒b运动的时间t。

解:以物体a、盒b组成的系统为研究对象,它们在水平方向所受的外力就是地面盒b的滑动摩擦力,而a与b间的摩擦力、a与b碰撞时的相互作用力均是内力。设b停止运动时a的速度为v,且假设向右为正方向,由系统的动量定理得:

当b停止运动后,对a应用动能定理得:

由以上二式联立解得:。

三、课后检测。

1、质量为m的物体放在水平面上,在水平外力f的作用下由静止开始运动,经时间t撤去该力,若物体与水平面间的动摩擦因数为μ,则物体在水平面上一共运动的时间为。

答案: 2、质量为m=1kg的小球由高h1=0.45m处自由下落,落到水平地面后,反跳的最大高度为h2=0.

2m,从小球下落到反跳到最高点经历的时间为δt=0.6s,取g=10m/s2。求:

小球撞击地面过程中,球对地面的平均压力的大小f。

解:以小球为研究对象,从开始下落到反跳到最高点的全过程动量变化为零,根据下降、上升高度可知其中下落、上升分别用时t1=0.3s和t2=0.

2s,因此与地面作用的时间必为t3=0.1s。由动量定理得:

mgδt-ft3=0 ,f=60n

3、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。

解法l 取物体为研究对象,它的运动可明显分为三个过程。设第。

一、二两过程末的速度分别为v1和v2。,物体所受摩擦力为f,规定推力的方向为正方向。根据动量定理对三个过程分别有:

联立上述三式得

解法2 规定推力的方向为正方向,在物体运动的整个过程中,物体的初动量p1=0,末动量p2=0。据动量定理有。

即: 解得

4、如图所示,轻弹簧下悬重物。与之间用轻绳连接。剪断、间的轻绳,经较短时间有速度,有速度大小为v,求这段时间内弹力的冲量及弹力的平均值。

解析:、静止时,弹力大小等于,剪断轻绳,自由下落,向上加速运动,达到速度u的时间为。

对: 弹力平均值。

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