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1、專題二 動量與動量守恒定律
章末總結
一、動量定理和動能定理的綜合應用
1.動量定理中物體所受合外力的沖量等于該過程中物體動量的變化量,它是一個矢量方程式。
2.動能定理中物體所受合外力做的功等于該過程中物體動能的改變量,它是一個標量方程式。
3.在研究力作用下物體的運動過程時,涉及的物理量有F、x、m、v、W、Ek等,一般考慮應用動能定理。若涉及的物理量有F、t、m、v、I、p等,一般考慮應用動量定理。
[例1] 質量為mB=2 kg的木板B靜止于光滑水平面上,質量為mA=6 kg的物塊A停在B的左端,質量為mC=2 kg的小球C用長為L=0.8 m的輕繩懸掛在固定
2、點O?,F(xiàn)將小球C及輕繩拉直至水平位置后由靜止釋放,小球C在最低點與A發(fā)生正碰,碰撞作用時間很短為Δt=10-2 s,之后小球C反彈所能上升的最大高度h=0.2 m。已知A、B間的動摩擦因數(shù)μ=0.1,物塊與小球均可視為質點,不計空氣阻力,取g=10 m/s2。求:
圖1
(1)小球C與物塊A碰撞過程中所受的撞擊力大??;
(2)為使物塊A不滑離木板B,木板B至少多長?
解析 (1)小球C下擺過程,由動能定理mCgL=mCv,
小球C反彈過程,由動能定理-mCgh=0-mCvC′2
碰撞過程設向右為正方向,根據(jù)動量定理FΔt=-mCvC′-mCvC
聯(lián)立以上各式解得F=-1.2×
3、103 N。
(2)小球C與物塊A碰撞過程,由動量守恒定律mCvC=mC(-vC′)+mAvA
當物塊A恰好滑至木板B右端并與其共速時,所求木板B的長度最小。在此過程中動量和能量都守恒,則mAvA=(mA+mB)v,
μmAg·x=mAv-(mA+mB)v2,解得x=0.5 m。
答案 (1)1.2×103 N (2)0.5 m
二、解答動力學問題的三大規(guī)律
1.三大規(guī)律
(1)力的觀點:牛頓運動定律結合運動學公式。
(2)能量觀點:動能定理、機械能守恒定律和能量守恒定律。
(3)動量觀點:動量定理和動量守恒定律。
2.三大規(guī)律的選擇
(1)若考查有關物理量的瞬時對應關系
4、,則用力的觀點。
(2)若考查一個過程,三種方法都有可能,但方法不同,處理問題的難易、繁簡程度可能有很大的差別。
(3)若研究對象為一個系統(tǒng),應優(yōu)先考慮兩大守恒定律。
(4)若研究對象為單一物體,可優(yōu)先考慮兩個定理,特別是涉及時間問題時應優(yōu)先考慮動量定理,涉及功和位移問題時應優(yōu)先考慮動能定理。
[例2] 一質量為M、長為l的長方形木板B放在光滑的水平地面上,在其右端放一質量為m的小木塊A,m
5、的速度的大小和方向;
(2)若初速度的大小未知,求小木塊A向左運動到達的最遠處(從地面上看)離出發(fā)點的距離。
解析 (1)法一 用動量守恒定律求解:系統(tǒng)水平方向動量守恒,取水平向右為正方向。木塊A不滑離B板的條件是二者最終處于相對靜止,設此時共同速度為v。
由動量守恒定律得Mv0-mv0=(M+m)v,可得v=v0,因為M>m,故v方向水平向右。
法二 用牛頓定律結合運動學公式求解:取水平向右為正方向,由運動學規(guī)律得,對A有v=-v0+a1t=-v0+t
對B有v=v0-a2t=v0-t
可得v=v0,方向向右。
(2)法一 用功能關系求解:當木塊A對地向左運動距離最遠時,末速度
6、為零,在這過程中,克服摩擦力Ff做功消耗了自身的動能有Ffx=mv
而A剛好沒有滑離B板的條件是:A滑到B板的最左端,且二者具有相同速度v,A、B間因摩擦產(chǎn)生的內能等于系統(tǒng)動能的損失Q=Ffl=(v-v2),v=v0
由以上各式得向左運動的最遠距離x=l。
法二 用動能定理求解:設小木塊A向左離出發(fā)點最遠距離為x,此時末速度為零(板速度為v1);當A、B剛達到共同速度v時,板B向右運動的路程為L,A速度由0增大到v時向右運動的路程為x1,如圖所示。設A、B間滑動摩擦力為Ff,根據(jù)動能定理,
對A有-Ffx=-mv,F(xiàn)fx1=mv2
對B有-FfL=(v2-v),v=v0
且有幾何關系L+(x-x1)=l
由上面幾式可得x=l。
答案 (1)v0 方向向右 (2)l
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