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動量定理的六種典型應用

時間: 未知2 物理備考

  [例 1] 豎立放置的粉筆壓在紙條的一端.要想把紙條從粉筆下抽出,又要保證粉筆不倒,應該緩緩、小心地將紙條抽出,還是快速將紙條抽出?說明理由。

  [解析] 紙條從粉筆下抽出,粉筆受到紙條對它的滑動摩擦力μmg作用,方向沿著紙條抽出的方向.不論紙條是快速抽出,還是緩緩抽出,粉筆在水平方向受到的摩擦力的大小不變.在紙條抽出過程中,粉筆受到摩擦力的作用時間用t表示,粉筆受到摩擦力的沖量為μmgt,粉筆原來靜止,初動量為零,粉筆的末動量用mv表示.根據動量定理有:μmgt=mv。

  如果緩慢抽出紙條,紙條對粉筆的作用時間比較長,粉筆受到紙條對它摩擦力的沖量就比較大,粉筆動量的改變也比較大,粉筆的底端就獲得了一定的速度.由于慣性,粉筆上端還沒有來得及運動,粉筆就倒了。

  如果在極短的時間內把紙條抽出,紙條對粉筆的摩擦力沖量極小,粉筆的動量幾乎不變.粉筆的動量改變得極小,粉筆幾乎不動,粉筆也不會倒下。

  二、用動量定理解曲線運動問題

  [例 2] 以速度v0 水平拋出一個質量為1 kg的物體,若在拋出后5 s未落地且未與其它物體相碰,求它在5 s內的動量的變化.(g=10 m/s2)。

  [解析] 此題若求出末動量,再求它與初動量的矢量差,則極為繁瑣.由于平拋出去的物體只受重力且為恒力,故所求動量的變化等于重力的沖量.則

  Δp=Ft=mgt=1×10×5=50 kg·m / s。

  [點評] ① 運用Δp=mv-mv0求Δp時,初、末速度必須在同一直線上,若不在同一直線,需考慮運用矢量法則或動量定理Δp=Ft求解Δp.②用I=F·t求沖量,F必須是恒力,若F是變力,需用動量定理I=Δp求解I。

  三、用動量定理解決打擊、碰撞問題

  打擊、碰撞過程中的相互作用力,一般不是恒力,用動量定理可只討論初、末狀態的動量和作用力的沖量,不必討論每一瞬時力的大小和加速度大小問題。

  [例 3] 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60 kg的運動員,從離水平網面3.2 m高處自由落下,觸網后沿豎直方向蹦回到離水平網面1.8 m高處.已知運動員與網接觸的時間為1.4 s.試求網對運動員的平均沖擊力.(取g=10 m/s2)

  [解析] 將運動員看成質量為m的質點,從高h1處下落,剛接觸網時速度方向向下,大小 。

  彈跳后到達的高度為h2,剛離網時速度方向向上,大小,

  接觸過程中運動員受到向下的重力mg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: 。

  由以上三式解得:,

  代入數值得: F=1.2×103 N。

  四、用動量定理解決連續流體的作用問題

  在日常生活和生產中,常涉及流體的連續相互作用問題,用常規的分析方法很難奏效.若構建柱體微元模型應用動量定理分析求解,則曲徑通幽,“柳暗花明又一村”。

  [[例 4]] 有一宇宙飛船以v=10 km/s在太空中飛行,突然進入一密度為ρ=1×10-7 kg/m3的微隕石塵區,假設微隕石塵與飛船碰撞后即附著在飛船上.欲使飛船保持原速度不變,試求飛船的助推器的助推力應增大為多少?(已知飛船的正橫截面積S=2 m2)

  [解析] 選在時間Δt內與飛船碰撞的微隕石塵為研究對象,其質量應等于底面積為S,高為vΔt的直柱體內微隕石塵的質量,即m=ρSvΔt,初動量為0,末動量為mv.設飛船對微隕石的作用力為F,由動量定理得,則 。

  根據牛頓第三定律可知,微隕石對飛船的撞擊力大小也等于20 N.因此,飛船要保持原速度勻速飛行,助推器的推力應增大20 N。

  五、動量定理的應用可擴展到全過程

  物體在不同階段受力情況不同,各力可以先后產生沖量,運用動量定理,就不用考慮運動的細節,可“一網打盡”,干凈利索。

  [[例 5]] 質量為m的物體靜止放在足夠大的水平桌面上,物體與桌面的動摩擦因數為μ,有一水平恒力F作用在物體上,使之加速前進,經t1 s撤去力F后,物體減速前進直至靜止,問:物體運動的總時間有多長?

  [[解析]] 本題若運用牛頓定律解決則過程較為繁瑣,運用動量定理則可一氣呵成,一目了然.由于全過程初、末狀態動量為零,對全過程運用動量定理,有

  故。

  [點評] 本題同學們可以嘗試運用牛頓定律來求解,以求掌握一題多解的方法,同時比較不同方法各自的特點,這對今后的學習會有較大的幫助。

  六、動量定理的應用可擴展到物體系

  盡管系統內各物體的運動情況不同,但各物體所受沖量之和仍等于各物體總動量的變化量。

  [[例 6]] 質量為M的金屬塊和質量為m的木塊通過細線連在一起,從靜止開始以加速度a在水中下沉,經時間t1,細線斷裂,金屬塊和木塊分離,再經過時間t2木塊停止下沉,此時金屬塊的速度多大?(已知此時金屬塊還沒有碰到底面.)

  [[解析]] 金屬塊和木塊作為一個系統,整個過程系統受到重力和浮力的沖量作用,設金屬塊和木塊的浮力分別為F浮M和F浮m,木塊停止時金屬塊的速度為vM,取豎直向下的方向為正方向,對全過程運用動量定理得

  ①細線斷裂前對系統分析受力有, ②聯立①②得 。

  綜上,動量定量的應用非常廣泛.仔細地理解動量定理的物理意義,潛心地探究它的典型應用,對于我們深入理解有關的知識、感悟方法,提高運用所學知識和方法分析解決實際問題的能力很有幫助.

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