动量守恒定律习题课.ppt

动量守恒定律的应用习题课,一、知识回顾1动量守恒定律的内容是什么？相互作用的几个物体组成的系统，如果不受外力作用，或它们受到的外力之和为零，则系统的总动量保持不变.这个结论叫做动量守恒定律2分析动量守恒定律成立条件有哪些？答：F合=0（严格条件）F内远大于F外（近似条件）某方向上合力为0，在这个方向上成立。,问题：如图所示，在水平面上做匀速运动的两个小球，质量分别为m1和m2，沿同一直线向相同的方向运动，速度分别为v1和v2，v2v1。当第二个小球追上第一个小球时两球碰撞。碰撞后的速度分别为v1和v2。碰撞过程第一个小球所受第二个球对它的作用力是F1，第二个球所受第一个球对它的作用力是F2，试用牛顿定律分析碰撞过程。,二、动量守恒定律与牛顿运动定律,推导过程：根据牛顿第二定律，碰撞过程中1、2两球的加速度分别是,根据牛顿第三定律，F1、F2等大反向，即F1=-F2所以,碰撞时两球间的作用时间极短，用t表示，则有,，,代入,并整理得,这就是动量守恒定律的表达式。,，,子弹打木块模型,三、模型分析,子弹打木块,题1设质量为m的子弹以初速度v0射向静止在光滑水平面上的质量为M的木块并留在其中，设木块对子弹的阻力恒为f。,原型:,问题1子弹、木块相对静止时的速度v,问题2子弹在木块内运动的时间,问题3子弹、木块发生的位移以及子弹打进木块的深度,问题4系统损失的机械能、系统增加的内能,问题5要使子弹不穿出木块，木块至少多长？（v0、m、M、f一定）,子弹打木块,问题1子弹、木块相对静止时的速度v,解：从动量的角度看,以m和M组成的系统为研究对象,根据动量守恒,子弹打木块,问题2子弹在木块内运动的时间,以子弹为研究对象,由牛顿运动定律和运动学公式可得:,子弹打木块,问题3子弹、木块发生的位移以及子弹打进木块的深度,对子弹用动能定理：,对木块用动能定理：,由、得：,故子弹打进木块的深度:,子弹打木块,问题4系统损失的机械能及系统增加的内能,系统损失的机械能,系统增加的内能,因此：,子弹打木块,问题5要使子弹不穿出木块，木块至少多长？（v0、m、M、f一定）,子弹不穿出木块的长度：,1动力学规律,由于组成系统的两物体受到大小相同、方向相反的一对恒力，故两物体的加速度大小与质量成反比，方向相反。,子弹打木块,分析:,2运动学规律,“子弹”穿过“木块”可看作为两个做匀速直线运动的物体间的追及问题，或说是一个相对运动问题。在一段时间内“子弹”射入“木块”的深度，就是这段时间内两者相对位移的大小。,子弹打木块,子弹打木块,2运动学规律,两者间的相对位移,木块长度,子弹打木块,3动量与能量规律,由于系统不受外力作用，故而遵从动量守恒定律。,由于相互作用力做功，故系统或每个物体动能均发生变化：力对“子弹”做的功量度“子弹”动能的变化；力对“木块”做的功量度“木块”动能的变化，子弹克服摩擦力做功，减少的动能分为两部分，一部分动能的形式不变，通过摩擦力做功转移给了木块，另一部分动能的形式变化，通过摩擦力做功，转变为系统的内能.摩擦力对系统做功等于摩擦力的大小与两物体相对位移大小的乘积来计算。,子弹打木块,1.“子弹打木块”模型的实质是两物体在一对作用和反作用力作用下的运动，并通过做功实现不同形式能量之间的转化因此，可以从物理模型和能量转换及动量转换这几个方面来拓宽“子弹打木块”的模型,小结：,2.“子弹打木块”问题可以用上的几条主要的力学规律：.动力学规律.运动学规律.动量与能量规律(摸清动量和能量转化或转移的去向特别重要!),变形,例：如图，质量为M的木板静止在光滑的水平面上，一质量为m的长度可忽略的小木块以速度V0水平地沿木板的表面滑行，已知小木块与木板间的动摩擦因数为，求：（1）木板至少多长小木块才不会掉下来？（2）小木块在木板上滑行了多长时间？,例3、两根足够长的固定的平行金属导轨位于同一水平面内，两导轨间的距离为L。导轨上面横放着两根导体棒ab和cd，构成矩形回路，如图所示两根导体棒的质量皆为m，电阻皆为R，回路中其余部分的电阻可不计在整个导轨平面内都有竖直向上的匀强磁场，磁感应强度为B设两导体棒均可沿导轨无摩擦地滑行开始时，棒cd静止，棒ab有指向棒cd的初速度V0若两导体棒在运动中始终不接触，求：（1）在运动中产生的焦耳热最多是多少？(2）当ab棒的速度变为初速度的3/4时，cd棒的加速度是多少？,解析：（1）从初始至两棒达到速度相同的过程中，两棒总动量守恒，有根据能量守恒，整个过程中产生的总热量,（2）设ab棒的速度变为初速度的3/4时，cd棒的速度为V1，则由动量守恒可知,此时回路中的感应电动势和感应电流分别为:,棒所受的安培力,所以cd棒的加速度为,由以上各式，可得,(2）当ab棒的速度变为初速度的3/4时，cd棒的加速度是多少？,思考题：如图所示，金属杆a从离地h高处由静止开始沿光滑平行的弧形轨道下滑，轨道的水平部分有竖直向上的匀强磁场B，水平轨道上原来放有一金属杆b，已知a杆的质量为ma,且与杆b的质量之比为mamb=34，水平轨道足够长，不计摩擦，求：(1)a和b的最终速度分别是多大?(2)整个过程中回路释放的电能是多少?(3)若已知a、b杆的电阻之比RaRb=34，其余部分的电阻不计，整个过程中杆a、b上产生的热量分别是多少?,练习,拓展：如图所示，质量为M=0.0kg的木块固定在光滑的水平地面上，质量为m=0.0kg的子弹以速度V0=00m/s射入，射出时速度为V=0m/s。今将钉子拔掉，最终子弹速度多大？,拓展2如图所示，一辆质量m=2kg的平板车左端放有质量M=3kg的小滑块，滑块与平板车之间的动摩擦因数=0.4。开始时平板车和滑块共同以2m/s的速度在光滑水平面上向右运动，并与竖直墙壁发生碰撞，设碰撞时间极短、且碰撞后平板车速度大小保持不变，但方向与原来相反。平板车足够长，以至滑块不会滑出平板车右端（取g=10m/s2）。求：（1）平板车第一次与墙壁碰撞后向左运动的最大距离。（2）平板车第二次与墙壁碰撞前瞬间的速度。（3）为使滑块始终不会滑到平板车右端，平板车至少多长？,（2）分析:第二次碰墙前车和滑块会达到相同的速度吗？,解析：(1)设第一次碰墙后，平板车向左最大位移为S，对平板车由动能定理,为什么？,（3）平板车与墙壁发生多次碰撞而左右运动的过程中，滑块相对车总是向右滑动，由于摩擦力消耗系统机械能，最终车停在墙边。设滑块相对车滑行总长度为l，由系统能量守恒得,小结：找到了动量守恒的过程和能量转化或转移的方向也就找到了解题的方法!,变型和拓展:,题,1.,变型和拓展:,题,2.,v,L,S1,S2,三、动量守恒定律的普适性,阅读“动量守恒定律的普适性”，并找出动量守恒定律与牛顿运动定律的区别和联系。,1.动量守恒定律是由牛顿第二、第三定律导出的，两者关系密切，在经典力学中都占有及其重要的地位。牛顿运动定律从“力”的角度反映物体间的相互作用；动量守恒定律从“动量”的角度描述物体间的相互作用。,3.用牛顿运动定律解决问题要涉及总个过程的力，有时候解决起来比较复杂，而动量守恒定律只涉及过程始末两个状态，与过程力的细节无关，能是问题大大简化。,4.动量守恒定律比牛顿定律更普遍，它适用目前为止的物理学研究的一切领域，即不仅适用于宏观、低速领域，而且适用于微观、高速领域。,2.动量守恒定律是实验定律，它的结论完全由实验决定。虽然它可有牛顿运动定律推导出来，但它并不依赖牛顿运动定律。,1爆炸问题的特点最简单的爆炸问题是质量为M的物体，炸裂成两块，这样我们就可以认为未炸裂前是由质量为m和(M-m)的两块组成爆炸过程时间短，爆炸力很大，炸裂的两块间的内力远大于它们所受的重力，所以可认为爆炸前后系统的动量守恒2爆炸过程初状态是指炸弹将要爆炸前瞬间的状态，末状态是指爆炸力刚停止作用时的状态，只要抓住过程的初末状态，即可根据动量守恒定律列式求解。,四、关于爆炸问题,例1.一枚在空中飞行的导弹，质量为m，在某点的速度为v，方向水平。导弹在该点突然炸裂成两块(如图)，其中质量为m1的一块沿着与v相反的方向飞去，速度为v1。求炸裂后另一块的速度v2。,分析：炸裂前，可以认为导弹是由质量为m1和(mm1)的两部分组成，导弹的炸裂过程可以看做这两部分相互作用的过程。这两部分组成的系统是我们的研究对象。在炸裂过程中，炸裂成的两部分都受到重力的作用，所受外力的矢量和不为零，但是它们所受的重力远小于爆炸时燃气对它们的作用力，所以爆炸过程中重力的作用可以忽略，可以认为系统满足动量守恒定律的条件。,解：导弹炸裂前的总动量为p=mv炸裂后的总动量为p=m1v1+(m一m1)v2根据动量守恒定律p=p，可得m1v1+(m一m1)v2=mv解出v2=(mv一m1v1)/(m一m1),若沿炸裂前速度v的方向建立坐标轴，v为正值；v1与v的方向相反，v1为负值。此外，一定有m一m10。于是，由上式可知，v2应为正值。这表示质量为(m一m1)的那部分沿着与坐标轴相同的方向飞去。这个结论容易理解。炸裂的一部分沿着相反的方向飞去，另一部分不会也沿着相反的方向飞去，假如这样，炸裂后的总动量将与炸裂前的总动量方向相反，动量就不守恒了。,280班止7.19,例2.如图所示，质量mB=1kg的平板小车B在光滑水平面上以v1=1m/s的速度向左匀速运动当t=0时，质量mA=2kg的小铁块A以v2=2m/s的速度水平向右滑上小车，A与小车间的动摩擦因数为=0.2。若A最终没有滑出小车，取水平向右为正方向，g10m/s2，求：A在小车上停止运动时，小车的速度大小（试用动量守恒定律与牛顿运动定律两种方法解题）。,五、牛顿运动定律与动量守恒定律的解题比较,解析：方法一：用动量守恒定律A在小车上停止运动时，A、B以共同速度运动，设其速度为v，取水平向右为正方向，由动量守恒定律得：mAv2-mBv1=(mA+mB)v解得，v=lms,设小车做匀变速运动的加速度为a1，运动时间为t小铁块做匀变速运动的加速度为a2，运动时间为t由牛顿运动定律得：,所以v1+a1t=v2-a2t解得：t0.5s则得：v=v1-a1t=-1+4x0.5=1m/s,方法二:用牛顿运动定律,例3、一辆质量为M的小车以速率v1在光滑的水平面上运动时，恰遇一质量为m，速率为v2物体以俯角60。的速度方向落在车上并陷于车里的砂中，求此后车的速度。,系统水平方向不受外力，水平方向动量守恒：（取v2方向为正向）,六、分方向动量守恒问题,例4：物体A、B紧靠并列放在光滑水平面上，mA=500g，mB=400g，另有一质量为mC=100g的物体C以10m/s的水平初速度擦着A、B表面经过，在摩擦力的作用下A、B物体也运动起来，最后C物体在B上与B一起以1.5m/s的速度运动，则C离开A物体时，A、C的速度各为多少？,七、多个物体组成的系统问题,分析与解,设A的速度为vA当C越过A进入B时，AB的速度的速度相等，而且是v=0.5m/s,练习1：某炮车的质量为M，炮弹的质量为m，炮弹射出炮口时相对于地面的速度为v，设炮车最初静止在地面上，若不计地面对炮车的摩擦力，炮车水平发射炮弹时炮车的速率为。若炮身的仰角为，则炮身后退的速率为。,解：将炮弹和炮身看成一个系统，在水平方向不