動量定理的應用
動量定理的內容可表述為:物體所受合外力的沖量,等于物體動量的變化。公式表達為:或。它反映了外力的沖量與物體動量變化的因果關系。在涉及力F、時間t、物體的速度v發生變化時,應優先考慮選用動量定理求解。下面解析動量定理的五種典型應用,供同學們學習參考。
1. 用動量定理解決碰擊問題
在碰撞、打擊過程中的相互作用力,一般是變力,用牛頓運動定律很難解決,用動量定理分析則方便得多,這時求出的力應理解為作用時間t內的平均力。
例1. 蹦床是運動員在一張繃緊的彈性網上蹦跳、翻滾并做各種空中動作的運動項目。一個質量為60kg的運動員,從離水平網面3.2m高處自由落下,著網后沿豎直方向蹦回到離水平網面1.8m高處。已知運動員與網接觸的時間為1.4s。試求網對運動員的平均沖擊力。(取)
解析:將運動員看成質量為m的質點,從高處下落,剛接觸網時速度的大小
,(向下)………………①
彈跳后到達的高度為,剛離網時速度的大小
,(向上)………………②
接觸過程中運動員受到向下的重力和網對其向上的彈力F。選取豎直向上為正方向,由動量定理得:
………………③
由以上三式解得:
代入數值得:
2. 動量定理的應用可擴展到全過程
當幾個力不同時作用時,合沖量可理解為各個外力沖量的矢量和。對物體運動的全過程應用動量定理可“一網打盡”,干凈利索。
例2. 用全過程法再解析例1
運動員自由下落的時間
被網彈回做豎直上拋,上升的時間
與網接觸時間為。選取向下為正方向,對全過程應用動量定理得:
則
3. 用動量定理解決曲線問題
動量定理的應用范圍非常廣泛,不論力是否恒定,運動軌跡是直線還是曲線,總成立。注意動量定理的表達公式是矢量關系,兩矢量的大小總是相等,方向總相同。
例3. 以初速水平拋出一個質量的物體,試求在拋出后的第2秒內物體動量的變化。已知物體未落地,不計空氣阻力,取。
解析:此題若求出初、未動量,再求動量的變化,則不在同一直線上的矢量差運算較麻煩??紤]到做平拋運動的物體只受重力(恒定),故所求動量的變化應等于重力的沖量,其沖量易求。有