《物理功与能》PPT课件.ppt

1 1 概念 两个或两个以上的物体相遇 且相互作用持续一个极短暂的时间 碰撞 例 碰碰车 锻铁 打桩 桌球 滑块 交通事故等 狭义 接触 速度变化 例 分子原子 粒子与原子核作用应等 又称散射 广义 接近 短暂互作用 偏离原运动方向 一 碰撞 2 2 特点物体间相互作用持续时间极短 内力 外力 作用力变化快 峰值极大 碰撞符合动量守恒定律 碰撞过程中物体会产生形变 3 碰撞前 碰撞时 碰撞后 二 两球的正碰撞 对心碰撞 1 对心碰撞 如果两球在碰撞前的速度在两球的中心连线上 则碰撞后的速度也都在这一连线上 这种碰撞称为对心碰撞 正碰撞 4 2 恢复系数 牛顿碰撞定律 物理实质 反映总动能损失程度 数值由材料性质定 实验测定 0 e 1 非对心碰撞又称为斜碰 指碰前速度方向至少有一个不在球心连线上 5 3 动量守恒方程 无动能损失 称完全弹性碰撞 4 碰撞分类 动能损失最大 称完全非弹性碰撞 有部分动能损失 称非完全弹性碰撞 6 5 碰撞过程中能量的转化 1 追赶阶段 2 压缩阶段 第一球追上第二球后 互相挤压 形变逐渐增大 直到二球速度相等 此时二球形变最大 压缩结束 相遇无形变 开始形变 最大形变 7 3 恢复阶段后球以弹力作用于前球 使它的速度进一步增大 前球以弹力作用于后球 使它进一步减速 这一阶段形变逐渐恢复 直到形变不再恢复 相互作用力为零 恢复阶段结束 最大形变 形变减小 分离 4 分开阶段 演示T3 6 SWF 8 完全弹性碰撞 碰后两球完全恢复原状动能形变能动能完全非弹性碰撞 碰后两球形变完全没有恢复动能形变能非完全弹性碰撞 碰后两球形变部分恢复动能形变能动能可能转化为其他形式能量 热能 声能 9 三 速度公式及动能损失 由 1 2 可得 10 四 讨论 1 完全弹性碰撞 由 3 4 可得 动能损失 动能不损失 11 1 若 碰前 碰后 交换速度 应用 核反应堆中 用石墨或重水作为中子的减速剂 应选碳核 重氢核等较轻元素 12 碰前 碰后 应用 核反应堆中防护材料 反射层 应选铝 铅等较重元素 13 2 完全非弹性碰撞 由动量守恒可得 动能损失 动能损失最大 14 动能损失 3 非完全弹性碰撞 设v20 0 此时损失的机械能为 碰撞前的机械能 15 可知 动能损失与恢复系数及质量比有关 对锻打 打铁 动能损失用于工件形变 越多越好 取m1 m2 用小锤敲打 对打桩 动能传递 希望越少越好 取m1 m2 用大汽锤 16 例1在碰撞实验中 常用如图所示的仪器 A为一小球 B为蹄状物 质量分别为m1和m2 开始时 A球从张角 处落下 然后与静止的B物相碰撞 嵌入B中一起运动 求两物到达最高处的张角 17 解整个过程由三个阶段组成 由图中A到B 球A受重力和悬线张力作用 对地球 小球系统 重力为保守内力 张力不作功 机械能守恒过程 取B点的重力势能为零 小球在A点速度为v 18 A B与碰撞过程作用时间极短 可认为是两者在B处瞬间完成的 没有位移 此过程是完全非弹性碰撞 水平方向的动量守恒 设小球碰后的速度为v 两者一起上升的过程与第一阶段相似 是机械能守恒的过程 19 三阶段得到的三个关系联立解得 20 例2 哥伦比亚 号失事原因中的力学模型 2003年2月1日 美国 哥伦比亚 号航天飞机在返回途中飞临德州上空时解体坠毁 21 哥伦比亚 号事故的直接技术原因这架航天飞机发射升空 秒后 从其外部燃料箱外脱落的一块泡沫材料撞上了航天飞机左翼前缘的热保护部件并形成了裂孔 月 日 当航天飞机重返大气层时 超高温气体从裂孔处进入了 哥伦比亚 号机体 引发了一系列连锁反应 造成航天飞机解体 名宇航员全部遇难 2003年2月5日新闻发布会公布的数据 撞击的泡沫块质量约1 3kg 撞击速度约250m s 航天飞机的速度约700m s 22 完全非弹性碰撞模型 设航天飞机质量为M 飞行速度为v 泡沫块质量为m 撞击速度为v0 速度方向与航天飞机飞行的方向在同一直线上 二者相撞后的共同速度为v 沿航天飞机运动的方向取坐标轴 由动量守恒定律得 23 泡沫块与航天飞机运动方向相同 反 泡沫所受平均撞击力 时间的估算据美方研究实验数据 24 完全弹性正碰撞模型 设 碰撞前泡沫块速度为v1 航天飞机速度为v2 碰撞后泡沫块速度为v 仍取航天飞机运动的方向为坐标轴 由动量守恒和动能守恒可得 25 同向运动 反向运动 26 由上述计算可知 无论采用哪种模型 无论泡沫块的运动方向与航天飞机运动方向相同还是相反 泡沫块对 哥伦比亚 号的平均撞击力的数量级都达到了 该力能够使航天飞机左翼等处的隔热瓦损坏 最终造成机毁人亡的事故 27 物质存在的三种状态 固 液 气液体和气体的各个部分间很容易发生相对运动 液体和气体的这种性质称流动性具有流动性的物体 流体 液体和气体 流动性是流体区别于固体的重要特征 流体力学是研究流体的运动规律及流体与相邻固体之间相互作用的学科 28 一 实际流体的性质1 可压缩性2 粘滞性 相邻流层间存在沿界面的一对切向摩擦力 称为湿摩擦力或粘滞力 流体具有的这种性质叫粘滞性 29 二 理想流体的稳定流动1 理想流体 绝对不可压缩 完全没有粘滞性的流体 一般情况下 流体流动时 空间各点的流速随位置和时间的不同而不同 即 则称该流动为稳定流动 若流体质点通过空间任一固定点的流速不随时间变化的流动 即 2 稳定流动 30 三 连续性方程 如图 对于一段细流管 任一横截面上各点物理量可看作是均匀的 dt时间内通过S1进入流管段的流体质量为 同一时间内通过S2流出流管段的流体质量为 31 三 连续性方程 稳定流动则有 即 稳定流动时的连续性方程 流体作稳定流动时 同一流管中任一截面处的流体密度 流速v和该截面面积S的乘积为一常量 32 三 连续性方程 若流体不可压缩 1 2 则 不可压缩的流体作定常流动时 流管的横截面积与该处平均流速的乘积为一常量 稳定流动时的连续性方程 S大 v小 S小 v大 33 伯努利方程如图 在一弯曲管中 稳流着不可压缩的密度为 的流体 pa p1 Sa S1 pb p2 Sb S2 求流体的压强p和速率v之间的关系 34 取如图所示坐标 在时间内 处流体分别移动 35 常量 36 常量 37 若将流管放在水平面上 即 常量 伯努利方程 38 常量 即 理想流体在做稳定流动时 流速大的地方压强小 流速小的地方压强大 39 例1一大蓄水池 下面开一小孔放水 设水面到小孔中心的高度为h 求小孔处的流速vB 解 取自由液面处一点A及小孔处B点 应用伯努利方程 40 代入已知条件得 结论 小孔流速与物体自水面自由降落到小孔处的速度相同 41 例2 范丘里流量计范丘里流量计是一种最简单的流量计 测量时如图放置 在A B两点处取截面SA SB 应用伯努利方程将PA PB gh 代入上式得 42 例3利用一管径均匀的虹吸管从水库中引水 其最高点B比水库水面高3 0m 管口C比水库水面低5 0m 求虹吸管内水的流速和B点处的压强 解 1 A C两点应用伯努利方程 43 2 对B C两点应用伯努利方程由于PC P0 则有由此可见 虹吸管最高处的压强比大气压强小 44 1 常用定理定律关系由牛顿第二定律推出 动量定理 动能定理 机械能守恒定律 动量守恒定律 功能原理 角动量定理 角动量守恒定律 解决问题的思路按此顺序倒过来 首先考虑用守恒定律解决问题 若要求力的细节则必须用牛顿第二定律 45 范围 惯性系 宏观低速运动 只有动量守恒 角动量守恒 能量守恒对宏观 微观都适用 2 各定理 定律的适用条件 适用范围 3 势能零点有些综合问题 既有重力势能 又有弹性势能 注意各势能零点的位置 不同势能零点位置可以同 也可以不同 问 一般选哪里为势能零点 46 1 一弹性球沿垂直于墙壁的水平方向与墙壁碰撞 设球的质量为m 碰撞前后的速度大小相等 都是v 方向相反 有人认为 墙在球碰撞前后并未运动 其球对墙作用的冲量为零 试据理评论此说法 2 下列各物理量中 与参照系有关的物理量是哪些 不考虑相对论效应 1 质量 2 动量 3 冲量 4 动能 5 势能 6 功 作业 习题册P13 51 52 62 69 47 3 两木块A B质量分别为m1 m2 用劲度系数为k的轻弹簧相连使弹簧压缩x0 并且用线扎住 放在光滑的水平面上 木块A紧靠 然后烧断扎线 判断下列说法中哪一个正确 B 在上述过程中 系统机械能守恒 C A离开墙后 系统动量守恒 机械能守恒 D A离开墙后 系统的机械能为 总动量为零 B A 弹簧在由初态恢复为原长的过程中 以A B弹簧为系统 动量守恒 48 4如图所示 质量为m的小球 以水平速度与在光滑桌面上的质量为m0的静止斜劈作完全弹性碰撞后竖直弹起 则斜劈的运动速度值v 小球上升高度h 49 5 如图所示 水平放置的轻弹簧 劲度系数为k 其一端固定 另一端系一质量为m的滑块A A旁又有一质量相同的滑块B 设两滑块与桌面间无摩擦 若用外力将A B一起推压弹簧 使弹簧压缩距离为d而静止 然后撤去外力 则B离开时的速度为 C 50 6 一力学系统由两个质点组成 它们之间只有引力作用 若两质点所受外力的矢量和为零 则此系统 动量 机械能