动量定理动量定理是力对时间的积累效应,使物体的动量发生改变,是高中物理学科学习的重点。
下面就为大家介绍动量定理,希望对大家有所帮助。
【动量定理知识点】1、动量定理:物体受到合外力的冲量等于物体动量的变化.Ft=mv/一mv或Ft=p/-p;该定理由牛顿第二定律推导出来:(质点m在短时间Δt内受合力为F合,合力的冲量是F合Δt;质点的初、未动量是mv0、mvt,动量的变化量是ΔP=Δ(mv)=mvt-mv0.根据动量定理得:F合=Δ(mv)/Δt)2.单位:牛·秒与千克米/秒统一:l千克米/秒=1千克米/秒2·秒=牛·秒;3.理解:(1)上式中F为研究对象所受的包括重力在内的所有外力的合力。
(2)动量定理中的冲量和动量都是矢量。
定理的表达式为一矢量式,等号的两边不但大小相同,而且方向相同,在高中阶段,动量定理的应用只限于一维的情况。
这时可规定一个正方向,注意力和速度的正负,这样就把大量运算转化为代数运算。
(3)动量定理的研究对象一般是单个质点。
求变力的冲量时,可借助动量定理求,不可直接用冲量定义式。
4.应用动量定理的思路:(1)明确研究对象和受力的时间(明确质量m和时间t);(2)分析对象受力和对象初、末速度(明确冲量I合,和初、未动量P0,Pt);(3)规定正方向,目的是将矢量运算转化为代数运算;(4)根据动量定理列方程(5)解方程。
【动量定理的内容】动量定理反应的是力在时间维度上的积累效果。
(1)基本概念描述:物体所受合外力的冲量,等于物体的动量变化量。
即F合t=I=Δp;(2)我们还可以这样来表述:对作用在物体上的各个力的冲量的代数和,等于动量的改变量。
在外力不恒定,或者各个力作用时间不同时,优先选择后者。
提醒:动量与冲量都是矢量,是有方向的,因此在解题时首先要规定好正方向。
【动量定理的表达式】基本表达式:F合t=I=Δp;当存在多个力做冲量时,还可以写成分力冲量代数和的形式: F1t1+F2t2+F3t3+……=I1+I2+I3+……=Δp【动量定理的表达式推广】当存在多个力做冲量时,动量定理的表达式还可以写成分力冲量代数和的形式:F1t1+F2t2+F3t3+……=I1+I2+I3+……=Δp这与动能定理的非常类似的。
【动量定理的推导过程】(1)匀变速直线运动过程中动量定理的推导过程物体做匀变速直线运动,则F合=ma;匀变速直线运动公式:v=v0+at;两边都乘以m,略作变形,有mv-mv0=mat;即,F合t=mat=I=mv-mv0=Δp;这就是动量定理的推导过程(2)非标准运动过程中动量定理的推导过程非标准运动过程中的动量定理的推导,同学们课下自己尝试推导一下,可以参考动量定理的推导过程。
【动量定理与动能定理应用区别】动量定理是力在时间上的积累,而动能定理是力在位移上的积累。
针对考题的解题来说:当题目中有时间t(或者求时间t)时,我们优先选择动量定理。
反之,当题目中有位移x(或者求位移x)时,我们优先选择动能定理来解题。
【动量定理中的合外力】动量定理公式F合t=I=Δp,公式中的力F指的是物理所受到的合外力。
合外力包括重力,弹力,支持力,阻力等所有的外力。
【动量定理的研究对象】相对来看,动能定理只能研究单独的一个物体(刚性体),动量定理既可以研究单独的一个物体,也可以研究多个物体构成的系统。
【动量定理的应用】通过上文总动量定理的表达式分析,可知F合t=I=Δp,如果动量的变化量Δp相同时,时间t越大,合外力就越小。
一、用动量定理解释生活中的现象例1竖立放置的粉笔压在纸条的一端.要想把纸条从粉笔下抽出,又要保证粉笔不倒,应该缓缓、小心地将纸条抽出,还是快速将纸条抽出?说明理由。
[解析] 纸条从粉笔下抽出,粉笔受到纸条对它的滑动摩擦力μmg作用,方向沿着纸条抽出的方向.不论纸条是快速抽出,还是缓缓抽出,粉笔在水平方向受到的摩擦力的大小不变.在纸条抽出过程中,粉笔受到摩擦力的作用时间用t表示,粉笔受到摩擦力的冲量为μmgt,粉笔原来静止,初动量为零,粉笔的末动量用mv表示.根据动量定理有:μmgt=mv。
如果缓慢抽出纸条,纸条对粉笔的作用时间比较长,粉笔受到纸条对它摩擦力的冲量就比较大,粉笔动量的改变也比较大,粉笔的底端就获得了一定的速度.由于惯性,粉笔上端还没有来得及运动,粉笔就倒了。
如果在极短的时间内把纸条抽出,纸条对粉笔的摩擦力冲量极小,粉笔的动量几乎不变.粉笔的动量改变得极小,粉笔几乎不动,粉笔也不会倒下。
二、用动量定理解曲线运动问题例2以速度v0 水平抛出一个质量为1 kg的物体,若在抛出后5 s未落地且未与其它物体相碰,求它在5 s内的动量的变化.(g=10 m/s2)。
[解析] 此题若求出末动量,再求它与初动量的矢量差,则极为繁琐.由于平抛出去的物体只受重力且为恒力,故所求动量的变化等于重力的冲量.则Δp=Ft=mgt=1×10×5=50 kg·m / s。
[点评]①运用Δp=mv-mv0求Δp时,初、末速度必须在同一直线上,若不在同一直线,需考虑运用矢量法则或动量定理Δp=Ft求解Δp.②用I=F·t求冲量,F必须是恒力,若F是变力,需用动量定理I=Δp求解I。
三、用动量定理解决打击、碰撞问题打击、碰撞过程中的相互作用力,一般不是恒力,用动量定理可只讨论初、末状态的动量和作用力的冲量,不必讨论每一瞬时力的大小和加速度大小问题。
例3蹦床是运动员在一张绷紧的弹性网上蹦跳、翻滚并做各种空中动作的运动项目.一个质量为60 kg的运动员,从离水平网面3.2 m高处自由落下,触网后沿竖直方向蹦回到离水平网面1.8 m高处.已知运动员与网接触的时间为1.4 s.试求网对运动员的平均冲击力.(取g=10 m/s2)[解析]将运动员看成质量为m的质点,从高h1处下落,刚接触网时速度方向向下,大小。
弹跳后到达的高度为h2,刚离网时速度方向向上,大小,接触过程中运动员受到向下的重力mg和网对其向上的弹力F.选取竖直向上为正方向,由动量定理得: 。
由以上三式解得:,代入数值得: F=1.2×103 N。
四、用动量定理解决连续流体的作用问题在日常生活和生产中,常涉及流体的连续相互作用问题,用常规的分析方法很难奏效.若构建柱体微元模型应用动量定理分析求解,则曲径通幽,“柳暗花明又一村”。
例4有一宇宙飞船以v=10 km/s在太空中飞行,突然进入一密度为ρ=1×10-7 kg/m3的微陨石尘区,假设微陨石尘与飞船碰撞后即附着在飞船上.欲使飞船保持原速度不变,试求飞船的助推器的助推力应增大为多少?(已知飞船的正横截面积S=2 m2) [解析] 选在时间Δt内与飞船碰撞的微陨石尘为研究对象,其质量应等于底面积为S,高为vΔt的直柱体内微陨石尘的质量,即m=ρSvΔt,初动量为0,末动量为mv.设飞船对微陨石的作用力为F,由动量定理得,则。
根据牛顿第三定律可知,微陨石对飞船的撞击力大小也等于20 N.因此,飞船要保持原速度匀速飞行,助推器的推力应增大20 N。
五、动量定理的应用可扩展到全过程物体在不同阶段受力情况不同,各力可以先后产生冲量,运用动量定理,就不用考虑运动的细节,可“一网打尽”,干净利索。
例5质量为m的物体静止放在足够大的水平桌面上,物体与桌面的动摩擦因数为μ,有一水平恒力F作用在物体上,使之加速前进,经t1 s撤去力F后,物体减速前进直至静止,问:物体运动的总时间有多长?[解析]本题若运用牛顿定律解决则过程较为繁琐,运用动量定理则可一气呵成,一目了然.由于全过程初、末状态动量为零,对全过程运用动量定理,有故。
[点评]本题同学们可以尝试运用牛顿定律来求解,以求掌握一题多解的方法,同时比较不同方法各自的特点,这对今后的学习会有较大的帮助。
六、动量定理的应用可扩展到物体系尽管系统内各物体的运动情况不同,但各物体所受冲量之和仍等于各物体总动量的变化量。
例6质量为M的金属块和质量为m的木块通过细线连在一起,从静止开始以加速度a在水中下沉,经时间t1,细线断裂,金属块和木块分离,再经过时间t2木块停止下沉,此时金属块的速度多大?(已知此时金属块还没有碰到底面.)[解析]金属块和木块作为一个系统,整个过程系统受到重力和浮力的冲量作用,设金属块和木块的浮力分别为F浮M和F浮m,木块停止时金属块的速度为vM,取竖直向下的方向为正方向,对全过程运用动量定理得①细线断裂前对系统分析受力有,②联立①②得。
综上,动量定量的应用非常广泛。
仔细地理解动量定理的物理意义,潜心地探究它的典型应用,对于我们深入理解有关的知识、感悟方法,提高运用所学知识和方法分析解决实际问题的能力很有帮助。
【动量定理解题步骤】(1)明确研究对象和研究过程。
研究对象一般是一个物体,也可以是几个物体组成的质点组。
质点组内各物体可以是保持相对静止的,也可以是相对运动的。
研究过程既可以是全过程,也可以是全过程中的某一阶段。
(2)进行受力分析。
只分析研究对象以外的物体施给研究对象的力。
研究对象内部的相互作用力(内力)会改变系统内某一物体的动量,但不影响系统的总动量,因此当研究对象为质点组时,不必分析内力。
如果在所选定的研究过程中的不同阶段中物体的受力情况不同,就要分别计算它们的冲量,然后求它们的矢量和。
(3)规定正方向。
由于力、冲量、速度、动量都是矢量,在一维的情况下,列式前要先规定一个正方向,和这个方向一致的矢量(比如F、v等)为正,反之为负。
同样,同学们在应用动量守恒定律解题中,规定正方向也是非常重要的一个步骤。
(4)写出研究对象的初、末动量和合外力的冲量(或选定方向上各外力在各个运动阶段的冲量的矢量和)。
(5)根据动量定理列式,并结合题意条件,列出其他补充方程,构成方程组,代入数据进行求解运算。
【弹性碰撞的结论】什么是弹性碰撞呢?弹性碰撞指的是两个物体碰撞过程中没有能量损失的碰撞过程。
这样的碰撞实际上是一种理想模型。
弹性碰撞中满足机械能守恒(水平面内重力势能没有改变即简化为动能守恒),也满足动量守恒,其结论我们整理如下:【动量定理常见问题答疑】问题1:动量定理是否可以研究多个物体?答:可以的,动量定理既可以研究单独的一个物体,也可以研究多个物体构成的系统。
动量定理的公式是F合t=I=Δp,公式中的力F 指的是物理所受到的合外力。
合外力包括重力,弹力,支持力,阻力等所有的外力。
在使用动量定理时,请同学们注意首先规定后正方向。
请同学们借助物理自诊断专题38,39与40的典型题与我的视频解析来更加深入理解这部分内容。
问题2:动量定理是如何推导出来的?答:我们可以借助匀变速直线运动和牛顿动力学公式来推导。
匀变速直线运动过程中动量定理的推导过程:物体做匀变速直线运动,则F合=ma;匀变速直线运动公式:v=v0+at;两边都乘以m,略作变形,有mv-mv0=mat;即,F合t=mat=I=mv-mv0=Δp;这就是动量定理的推导过程。