如何利用动量原理在失控车辆中跳车逃生.docx

如何利用动量原理在失控车辆中跳车逃生上海市向明中学高一（7）班 陶慧玲 指导老师：臧己相摘要：本文分析了用动量解决运动问题的便捷性，用动量原理解释了从高速车辆上该如何逃生，并建立模型对北京通州的交通事故进行了分析，提出了在紧急时刻逃生的有效方法。文章最后还介绍了这些方法的引申意义，进一步强调了力学原理的重要性，以及其运用的实效性。关键词：动量，系统动量守恒众所周知，物理在生活中随处可见。大到研究发明人造卫星小到用吸管喝饮料，其中都包含着物理原理。科学家们为了更加深入彻底地研究生活中的现象，相应的物理量也随之产生。高中课程中牛顿三大定律已经能解决许多生活中的问题，但还是有少数问题不能仅靠牛顿定律解决或者说用牛顿定律解决起来比较麻烦，于是科学家们发现了动量及动量守恒定律，以此来解决更多的问题。2011年5月16日下午3时许，北京通州区台湖镇大地村附近，一辆通15路小公共汽车在行驶中刹车失控，司机让乘客跳车逃生，致1死6伤，其中一名伤者伤情较重。目击村民称，跳车乘客多为女性，“一名女子脚挂在车门处，面部着地，被拖行了数十米。”公交车继续行驶数百米后，停在路边，车内十余名未跳车乘客并未受伤。那名被拖行的女子被确认死亡。由此可见，盲目地无效的跳车的确是不智之举。那么有没有好的解决方法呢？在经典力学中，动量表示为物体的质量和速度的乘积，是与物体的质量和速度相关的物理量，指的是这个物体在它运动方向上保持运动的趋势。动量也是矢量，它的方向与速度的方向相同。如果一个系统不受外力或所受外力的矢量和为零，那么这个系统的总动量保持不变，这个结论叫做动量守恒定律。动量守恒定律是自然界中最重要最普遍的守恒定律之一，它既适用于宏观物体，也适用于微观粒子；既适用于低速运动物体，也适用于高速运动物体，它是一个实验规律，也可用牛顿第三定律和动量定理推导出来。现代的科学实验和理论分析都表明：在自然界中，大到天体间的相互作用，小到如质子、中子等基本粒子间的相互作用，都遵守动量守恒定律。因此，它是自然界中最重要、最普遍的客观规律之一，比牛顿运动定律的适用范围更广。用于解体也更加便捷，例如以下这题：一辆质量为M的车静止在光滑水平面上，车上站着N个质量为m的人。若每个人跳下车时相对车的水平速度都是u，那么N个人一起跳和一次跳两种情况下哪一种车速更大呢？分析与解答：取车速方向为正方向若N个人一起跳，则根据动量守恒定律有0=Nm(-u+v车)+Mv车v车 =NmuM+Nm若一个一个跳，则第一个人跳下后：0=m(-u+v1 )+M+（N-1）mv1v1 =muM+Nm第二个人跳下后：M+（N-1）mv1 =m(-u+v2 )+M+(N-2)m v2v2 =v1 +muM+N-1m=muM+Nm+muM+N-1m以此类推v3=v2 +muM+N-2m=muM+Nm+muM+N-1m+muM+N-2mvn =muM+Nm+muM+N-1m+muM+N-2m+muM+m第一种情况v车 =NmuM+Nm可看作有N个muM+Nm相加所得到，而第二种情况仅第一项与之相同，其余项均大于muM+Nm，由此得出依次跳下所产生的速度较大。由此问题不难看出，若用牛顿定律求解此题则非常麻烦，需求出人跳车时对于车的作用力大小，而用动量守恒来解题就显得非常简单。动量守恒在其他解题过程中能省去大量的数学计算，例如三角函数各个公式的相互转换，既节省了时间又提高了准确率，由此可见动量的便捷之处。我们正好可以利用上述理论来解决北京通州区的交通紧急事件。若在此情形下运用适当的方法，则可以大大避免人员伤亡。若像乘客原先那样拥挤地一起与车的行驶方向相反地跳车，则-Mv车=Nm(-u+v车)+Mv车V车=-Mv车+NmuM+Nm，若一个个地跳，则V车=-Mv车+muM+Nm+-Mv车+muM+N-1m+-Mv车+muM+N-2m+-Mv车+muM+m相比之下后一种跳车方式能使车更快地停下，这样就可以缩短公交车在失控状况下所行驶的距离，能够减少乘客的伤亡状况。这样也能保持车厢的秩序，避免发生因人群拥挤而产生悲剧。除此之外，动量在生活中的运用也很常见。从高处下跳时,我们为什么要翻滚?当我们从高处往下跳时,总是就地翻个滚。而且有经验的人可以从很高的地方落下而不受伤。这是为什么呢？我们可以从动量定理得到答案。我们已经知道冲力作用的时间长短影响力的大小。与地面接触的时间越短,我们感受到的力F就会越大。而如果着地时来个滚翻,借以延长与地面作用的时间,从而减少与地面的作用力,并且此举还加大了身体与地面的接触面积,使受力的部位分散,因此对人体的危害性肯定就减小很多。这个原理也可以运用于上述实例中，若被拖行的女子跳车时以抱头身体蜷缩着地时与地面进行翻滚，那么她就不会发生这样的惨剧了。类似的原理可以总结为用运动换取力的作用。比如动量在高压水流采煤技术中的应用。传统采煤污染大,噪声大,对人体有很大的伤害。但是用高压水流采煤则不会遭遇上述麻烦,但是水作为自然界最软的物质怎能采煤呢？正如上例所论述的,高速的物体瞬间改变方向可以产生巨大的压力。据此原理,也就是动量定理,我们在实际工作中用高压水枪射向煤层,细小而高速的水柱瞬间改变速度而施给煤层巨大的冲击力,于是使得水流采煤成为可能,并广泛应用于生产。由此可见，动量在人们的日常生活中起到了非常大的作用，使人们的生活能够更加的便捷。参考文献：1 曾谨言.量子力学M.北京:科学出版社,2006.2 赵凯华,罗蔚茵.新概念物理教程力学M.北京:高等教育出版社,2005:149156.3 刘克哲.普通物理学M.北京:高等教育