高中物理竞赛辅导动量　角动量和能量 固体和液体

动量 角动量和能量4.1 动量与冲量 动量定理 41 1动量在牛顿定律建立以前，人们为了量度物体作机械运动的“运动量”，引入了动量的概念。当时在研究碰撞和打击问题时认识到：物体的质量和速度越大，其“运动量”就越大。物体的质量和速度的乘积mv遵从一定的规律，例如，在两物体碰撞过程中，它们的改变必然是数值相等、方向相反。在这些事实基础上，人们就引用mv来量度物体的“运动量”，称之为动量。 412冲量要使原来静止的物体获得某一速度，可以用较大的力作用较短的时间或用较小的力作用较长的时间，只要力F和力作用的时间的乘积相同，所产生的改变这个物体的速度效果就一样，在物理学中把F叫做冲量。 413质点动量定理由牛顿定律，容易得出它们的联系：对单个物体： 即冲量等于动量的增量，这就是质点动量定理。 在应用动量定理时要注意它是矢量式，速度的变化前后的方向可以在一条直线上，也可以不在一条直线上，当不在一直线上时，可将矢量投影到某方向上，分量式为： 对于多个物体组成的物体系，按照力的作用者划分成内力和外力。对各个质点用动量定理： 第1个 外+内= 第2个 外+内= 第n个 外+内= 由牛顿第三定律： 内+内+内=0因此得到：外+外+ +外=（+）-（+） 即：质点系所有外力的冲量和等于物体系总动量的增量。 4，2 角动量 角动量守恒定律动量对空间某点或某轴线的矩，叫动量矩，也叫角动量。它的求法跟力矩完全一样，只要把力F换成动量P即可，故B点上的动量P对原点O的动量矩J为 OB （） 以下介绍两个定理：（1）.角动量定理：质点对某点或某轴线的动量矩对时间的微商，等于作用在该质点上的力对比同点或同轴的力矩，即 （为力矩）。（2）角动量守恒定律 如果质点不受外力作用，或虽受外力作用，但诸外力对某点的合力矩为零，则对该点来讲，质点的动量矩J为一恒矢量，这个关系叫做角动量守恒定律 即 rF=0，则J=rmv=rP=恒矢量4.3动量守恒定律 动量守恒定律是人们在长期实践的基础上建立的，首先在碰撞问题的研究中发现了它，随着实践范围的扩大，逐步认识到它具有普遍意义， 对于相互作用的系统，在合外力为零的情况下，由牛顿第二定律和牛顿第三定律可得出物体的总动量保持不变。即： +=上式就是动量守恒定律的数学表达式。应用动量守恒定律应注意以下几点：（1）动量是矢量，相互作用的物体组成的系统的总动量是指组成物体系的所有物体的动量的矢量和，而不是代数和，在具体计算时，经常采用正交分解法，写出动量守恒定律的分量方程，这样可把矢量运算转化为代数运算，（2）在合外力为零时，尽管系统的总动量恒定不变，但组成系统的各个物体的动量却可能不断变化，系统的内力只能改变系统内物体的动量，却不能改变系统的总动量。在合外力不为零时，系统的总动量就要发生改变，但在垂直于合外力方向上系统的动量应保持不变，即合外力的分量在某一方向上为零，则系统在该方向上动量分量守恒。（3）动量守恒定律成立的条件是合外力为零，但在处理实际问题时，系统受到的合外力不为零，若内力远大于外力时，我们仍可以把它当作合外力为零进行处理，动量守恒定律成立。如遇到碰撞、爆炸等时间极短的问题时，可忽略外力的冲量，系统动量近似认为守恒。 （4）动量守恒定律是由牛顿定律导出的，牛顿定律对于分子、原子等微观粒子一般不适用，而动量守恒定律却仍适用。因此，动量守恒定律是一条基本规律，它比牛顿定律具有更大的普遍性。 动量守恒定律的推广 由于一个质点系在不受外力的作用时，它的总动量是守恒的，所以一个质点系的内力不能改变它质心的运动状态，这个讨论包含了三层含意：图4-3-2图4-3-1（1）如果一个质点系的质心原来是不动的，那么在无外力作用的条件下，它的质心始终不动，即位置不变。（2）如果一个质点系的质心原来是运动的，那么在无外力作用的条件下，这个质点系的质心将以原来的速度做匀速直线运动。（3）如果一个质点系的质心在某一个外力作用下作某种运动，那么内力不能改变质心的这种运动。比如某一物体原来做抛体运动，如果突然炸成两块，那么这两块物体的质心仍然继续做原来的抛体运动。 如果一个质量为的半圆形槽A原来静止在水平面上，原槽半径为R。将一个质量为的滑块B由静止释放（图4-3-1），若不计一切摩擦，问A的最大位移为多少？ 由于A做的是较复杂的变加速运动，因此很难用牛顿定律来解。由水平方向动量守恒和机械能守恒，可知B一定能到达槽A右边的最高端，而且这一瞬间A、B相对静止。因为A、B组成的体系原来在水平方向的动量为零，所以它的质心位置应该不变，初始状态A、B的质心距离圆槽最低点的水平距离为：。所以B滑到槽A的右边最高端时，A的位移为（图4-3-2） 如果原来A、B一起以速度向右运动，用胶水将B粘在槽A左上端，某一时刻胶水突然失效，B开始滑落，仍然忽略一切摩擦。设从B脱落到B再次与A相对静止的时间是，那么这段时间内A运动了多少距离？ B脱落后，A将开始做变加速运动，但A、B两物体的质心仍然以速度向右运动。所以在时间内A运动的距离为：4.4 功和功率sF0图4-4-1441功的概念力和力的方向上位移的乘积称为功。即 式中是力矢量F与位移矢量s之间的夹角。功是标量，有正、负。外力对物体的总功或合外力对物体所做功等于各个力对物体所做功的代数和。 对于变力对物体所做功，则可用求和来表示力所做功，即 也可以用F=F（s）图象的“面积”来表示功的大小，如图4-4-1所示。 由于物体运动与参照系的选择有关，因此在不同的参照系中，功的大小可以有不同的数值，但是一对作用力与反作用力做功之和与参照系的选择无关。因为作用力反作用力做功之和取决于力和相对位移，相对位移是与参照系无关的。值得注意的是，功的定义式中力F应为恒力。如F为变力中学阶段常用如下几种处理方法：（1）微元法；（2）图象法；（3）等效法。图4-4-2442. 几种力的功下面先介绍一下“保守力”与“耗散力”。 具有“做功与路径无关”这一特点的力称为保守力，如重力、弹力和万有引力都属于保守力。不具有这种特点的力称为非保守力，也叫耗散力，如摩擦力。（1）重力的功重力在地球附近一个小范围内我们认为是恒力，所以从高度处将重力为mg的物移到高处。重力做功为：，显然与运动路径无关。（2）弹簧弹力的功 物体在弹簧弹力F=-kx的作用下，从位置运动至位置，如图4-4-2（a）所示，其弹力变化F=F（x）如图4-4-2（b）所示则该过程中弹力的功W可用图中斜线“面积”表示，功大小为（3）万有引力的功 质量m的质点在另一质量M的质点的作用下由相对距离运动至相对距离的过程中，引力所做功为 443.功率作用于物体的力在单位时间内所做功称为功率，表达式为求瞬时功率，取时间则为式中v为某时刻的瞬时速度，为此刻v与F方向的夹角45 动能 动能定理451 质点动能定理质量m的质点以速度v运动时，它所具有动能为: 动能是质点动力学状态量，当质点动能发生变化时，是由于外力对质点做了功，其关系是: W外=上式表明外力对质点所做功，等于质点动能的变化，这就是质点动能定理。452质点系动能定理 若质点系由n个质点组成，质点系中任一质点都会受到来自于系统以外的作用力（外力）和系统内其它质点对它作用力（内力），在质点运动时，这些力都将做功。设质点系由N个质点组成，选取适当的惯性系，对其中第i个质点用质点动能定理外+内=对所有n个质点的动能定理求和就有 外+内= 若用W外、W内、分别表示外、内、则上式可写成W外+ W内=-由此可见，对于质点系，外力做的功与内力做的功之和等于质点系动能的增量，这就是质点系动能定理。和质点动能定理一样，质点系动能定理只适用于惯性系，但质点系动能定理中的W内一项却是和所选的参照系无关的，因为内力做的功取决于相对位移，而相对位移和所选的参照系是无关的。这一点有时在解题时十分有效。46 势能461 势能 若两质点间存在着相互作用的保守力作用，当两质点相对位置发生改变时，不管途径如何，只要相对位置的初态、终态确定，则保守力做功是确定的。存在于保守力相互作用质点之间的，由其相对位置所决定的能量称为质点的势能。规定保守力所做功等于势能变化的负值，即W保=。（1）势能的相对性。 通常选定某一状态为系统势能的零值状态，则任何状态至零势能状态保守力所做功大小等于该状态下系统的势能值。原则上零势能状态可以任意选取，因而势能具有相对性。（2）势能是属于保守力相互作用系统的，而不是某个质点独有的。（3）只有保守力才有相应的势能，而非保守力没有与之相应的势能。462 常见的几种势能（1）重力势能 在地球表面附近小范围内，mg重力可视为恒力，取地面为零势能面，则h高处重物m的重力势能为 （2）弹簧的弹性势能 取弹簧处于原长时为弹性势能零点，当弹簧伸长（压缩）x时，弹力F=-kx，弹力做的功为 由前面保守力所做功与势能变化关系可知 （3）引力势能 两个质点M、m相距无穷远处，规定，设m从无穷远处移近M，引力做功W，由于F引=，大小随r变化，可采用微元法分段求和方式。如图4-5-1，取质点n由A到B，位移为，引力做功很小，、差异很小，则由无穷远至距r处，引力功W为 图4-6-1开始时，最后相对距离为=r又有 质点与均匀球体间引力势能，在球体外，可认为球体质量集中于球心，所以引力势能为 rR R为球半径 质量M，半径为R的薄球壳，由于其内部引力合力为零，故任意两点间移动质点m，引力均不做功，引力势能为恒量，所以质量m质点在薄球壳附近引力势能为 =47 功能原理和机械能守恒定律471 功能原理根据质点系动能定理当质点系内有保守力作用和非保守力作用时，内力所做功又可分为而由保守力做功特点知，保守力做功等于势能增量的负值，即 于是得到用E表示势能与动能之和，称为系统机械能，结果得到 外力的功和非保守力内力所做功之和等于系统机械能的增量，这就是质点系的功能原理。可以得到（外力做正功使物体系机械能增加，而内部的非保守力作负功会使物体系的机械能减少）。 功能原理适用于分析既有外力做功，又有内部非保守力做功的物体系，请看下题：图4-7-1 劲度系数为k的轻质弹簧水平放置，左端固定，右端连接一个质量为m的木块（图4-7-1）开始时木块静止平衡于某一位置，木块与水平面之间的动摩擦因数为。然后加一个水平向右的恒力作用于木块上。（1）要保证在任何情况下都能拉动木块，此恒力F不得小于多少？（2）用这个力F拉木块，当木块的速度再次为零时，弹簧可能的伸长量是多少？ 题目告知“开始时木块静止平衡于某一位置”，并未指明确切的位置，也就是说木块在该位置时所受的静摩擦力和弹簧的形变量都不清楚，因此要考虑各种情况。如果弹簧自然伸展时，木块在O点，那么当木块在O点右方时，所受的弹簧的作用力向右。因为木块初始状态是静止的，所以弹簧的拉力不能大于木块所受的最大静摩擦力。要将木块向右拉动，还需要克服一个向左的静摩擦力，所以只要F2，即可保证在任何情况下都能拉动木块。 设物体的初始位置为，在向右的恒力F作用下，物体到x处的速度再次为零，在此过程中，外部有力F做功，内部有非保守力f做功，木块的动能增量为零，所以根据物体系的功能原理有可得因为木块一开始静止，所以要求 可见，当木块再次静止时，弹簧可能的伸长是 472 机械能守恒定律 若外力的与非保守内力的功之和为零时，则系统机械能守恒，这就是机械能守恒定律。 注意：该定律只适用于惯性系，它同时必须是选择同一惯性参照系。在机械能守恒系统中，由于保守内力做功，动能和势能相互转化，而总的机械能则保持不变。下面介绍一例由机械能守恒推出的重要定理：伯努利方程理想流体 不可压缩的、没有粘滞性的流体，称为理想流体。定常流动 观察一段河床比较平缓的河水的流动，你可以看到河水平静地流着，过一会儿再看，河水还是那样平静地流着，各处的流速没有什么变化。河水不断地流走，可是这段图4-7-2河水的流动状态没有改变。河水的这种流动就是定常流动。流体质点经过空间各点的流速虽然可以不同，但如果空间每一点的流速不随时间而改变，这样的流动就叫做定常流动。自来水管中的水流，石油管道中石油的流动，都可以看做定常流动。流体的流动可以用流线形象地表示。在定常流动中，流线表示流体质点的运动轨迹。图4-7-2是液体流过圆柱体时流线的分布。A、B处液体流过的横截面积大，CD处液体流过的横截面积小。液体在CD处流得急，流速大。AB处的流线疏，CD处的流线密，这样，从流线的分布可以知道流速的大小。流线疏的地方，流速小；流线密的地方，流速大。伯努利方程 现在研究理想流体做定常流动时流体中压强和流速的关系。图4-7-3表示一个细管，其中流体由左向右流动。在管的处和处用横截面截出一段流体，即处和处之间的流体，作为研究对象。 处的横截面积为，流速为，高度为，处左边的流体对研究对象的压强为，方向垂直于向右。 处的横截面积为，流速为，高度为，处左边的流体对研究对象的压强为，方向垂直于向左。 经过很短的时间间隔，这段流体的左端由移到。右端由移到。图4-7-3两端移动的距离分别为和。左端流入的流体体积为，右端流出的流体体积为，理想流体是不可压缩的，流入和流出的体积相等，记为。 现在考虑左右两端的力对这段流体所做的功。作用在液体左端的力，所做的功。作用在右端的力，所做的功。外力所做的总功 （1） 外力做功使这段流体的机械能发生改变。初状态的机械能是到这段流体的机械能，末状态的机械能是到这段流体的机械能。由到这一段，经过时间，虽然流体有所更换，但由于我们研究的是理想流体的定常流动，流体的密度和各点的流速没有改变，动能和重力势能都没有改变，所以这一段的机械能没有改变，这样机械能的改变就等于流出的那部分流体的机械能减去流入的那部分流体的机械能。 由于，所以流入的那部分流体的动能为 重力势能为流出流体的动能为 重力势能为机械能的改变为 （2） 理想流体没有粘滞性，流体在流动中机械能不会转化为内能，所以这段流体两端受的力所做的总功W等于机械能的改变，即 W= （3）将（1）式和（2）式代入（3）式，得 整理后得图4-7-4 （4）和是在流体中任意取的，所以上式可表示为对管中流体的任意处： 常量 （5） （4）式和（5）式称为伯努利方程。 流体水平流动时，或者高度差的影响不显著时（如气体的流动），伯努利方程可表达为 常量 （6） 从（6）式可知，在流动的流体中，压强跟流速有关，流速v大的地方要强p小，流速v小的地方压强p大。知道压强和流速的关系，就可以解释本节开始所做的实验了。经过漏斗吹乒乓球时，乒乓球上方空气的流速大，图4-7-5压强小，下方空气的压强大，乒乓球受到向上的力，所以会贴在漏斗上不会掉下来。向两张纸中间吹气，两张纸中间空气的流速大，压强小，外边空气的压强大，所以两张纸将互相贴近。同样的道理，两艘并排的船同向行驶时（图4-7-4）如果速度较大，两船会互相靠近，有相撞的危险。历史上就曾经发生过这类事故。在航海中。对并排同向行驶的船舶，要限制航速和两船的距离。伯努利方程的应用： 球类比赛中的旋转球和不转球的飞行轨迹不同，是因为球周围空气流动情况不同造成的。图4-7-5甲表示不转球水平向左运动时周围空气的流线。球的上方和下方流线对称，流速相同，上下不产生压强差。现在考虑球的旋转，致使球的下方空气的流速增大，上方流速减小，周围空气流线如图乙所示。球的下方流速大，压强小，上方流速小，压强大。跟不转球相比，图4-1-6乙所示旋转球因为旋转而受到向下的力，飞行轨迹要向下弯曲。 例：如图4-7-6所示，用一弹簧把两物块A和B连接起来后，置于水平地面上。已知A和B的质量分别为和。问应给物块A上加多大的压力F，才可能在撤去力F后，A向上跳起后会出图4-7-6现B对地无压力的情况？弹簧的质量略去不计。设弹簧原长为，建立如图4-7-7所示的坐标，以k表示弹簧的劲度系数，则有 取图中O点处为重力势能零点，当A受力F由O点再被压缩了x时，系统的机械能为 图4-7-7撤去F当A上升到最高处即弹簧较其自然长度再伸长时，系统的机械能为 A在x处时，其受力满足 ，以式的代入上式，乃有 当F撤去A上升到处时，弹簧的弹力大小为，设此时B受到地面的支持力为N，则对于B应有 要B对地无压力，即N=0，则上式变为 因为A由x处上升至处的过程中，对此系统无外力和耗散力作功，则其机械能守恒，即 = 联立解式，可得 。 显然，要出现B对地无压力的情况，应为（。当F=（时，刚好能出现B对地无压力的情况，但B不会离开地面；当F（时，B将出现离开地面向上跳起的情况。48 碰撞 质量和的两个物块，在直线上发生对心碰撞，碰撞前后速度分别为和及和，碰撞前后速度在一条直线上，由动量守恒定律得到根据两物块在碰撞过程中的恢复情况，碰撞又可分类为下列几种（1）弹性碰撞在碰撞过程中没有机械能损失的碰撞称为弹性碰撞，由动能守恒有结合动量守恒解得对上述结果可作如下讨论，则，即交换速度。若，且有=0，则，即质量大物速度几乎不变，小物以二倍于大物速度运动。若，且=0，则，则质量大物几乎不动，而质量小物原速率反弹。（2） 完全非弹性碰撞 两物相碰粘合在一起或具有相同速度，被称为完全非弹性碰撞，在完全非弹性碰撞中，系统动量守恒，损失机械能最大。 碰撞过程中损失的机械能为图4-9-1（3 ）一般非弹性碰撞，恢复系数一般非弹性碰撞是指碰撞后两物分开，速度，且碰撞过程中有机械损失，但比完全非弹性碰撞损失机械能要小。物理学中用恢复系数来表征碰撞性质。恢复系数e定义为 弹性碰撞， e=1。完全非弹性碰撞 ，e=0。一般非弹性碰撞 0e1。（4） 斜碰两物碰撞前后不在一条直线上，属于斜碰，如图4-9-1所示设两物间的恢复系数为e，设碰撞前、速度为、，其法向、切向分量分别为、，碰后分离速度、，法向、切向速度分量、，则有若两物接触处光滑，则应有、切向速度分量不变 、若两物接触处有切向摩擦，这一摩擦力大小正比于法向正碰力，也是很大的力，它提供的切向冲量便不可忽略。49 质心及质心运动491 质心及质心位置 任何一个质点系中都存在着一个称为质心的特殊点，它的运动与内力无关，只取决于外力。当需要将质点组处理成一个质点时，它的质量就是质点组的总质量。当需要确定质心的运动时，就设想把质点组所受的全部外力集中作用在质心上。 注意：质心是一个假想的质点。 设空间有N个质点，其质量、位置分别记作、，质量组质心记为C，则质量、位置。 在、直角坐标系中，记录质心的坐标位置为492、质心的速度、加速度、动量质心速度，在空间直角坐标系中，质心速度可表达为质心的动量，质心的动量等于质点组中各个质点动量的矢量和。质心的加速度由上式可见，当质点组所受合外力为零时，质心将保持静止状态或匀速直线运动状态。同样，质点组的动量定理也可表述为外力的冲量的矢量和等于质心动量的增量。493、质心的动能与质点组的动能以二个质点为例，质量、两质点相对于静止参照系速度、，质心C的速度，二质点相对于质心速度是和，可以证明有 即二个质点的总动能等于质心的动能与两质点相对质心动能之和。410天体的运动与能量4101、天体运动的机械能守恒二体系统的机械能E为系统的万有引力势能与各天体的动能之和。仅有一个天体在运动时，则E为系统的万有引力势能与其动能之和。由于没有其他外力作用，系统内万有引力属于保守力，故有机械能守恒，E为一恒量，如图4-10-1所示，设M天体不动，m天体绕M天体转动，则由机械动能守恒，有图4-10-1当运动天体背离不动天体运动时，不断增大，而将不断减小，可达无穷远处，此时而0，则应满足E0，即例如从地球发射人造卫星要挣脱地球束缚必有图4-10-2我们称=11.2km/s为第二宇宙速度，它恰为第一宇宙速度为倍。另外在上面的二体系统中，由于万有引力属于有心力，所以对m而言，遵循角动量守恒 或 方向的夹角。它实质可变换得到开普勒第二定律，即行星与恒星连线在相等时间内扫过面积等。4102、天体运动的轨道与能量若M天体固定，m天体在万有引力作用下运动，其圆锥曲线可能是椭圆（包括圆）、抛物线或双曲线。i）椭圆轨道如图4-7-1所示，设椭圆轨道方程为 （ab）则椭圆长，短半轴为a、b，焦距，近地点速度，远地点速度，则有或由开普勒第二定律： 可解得代入E得ii)抛物线设抛物线方程为太阳在其焦点（）处，则m在抛物线顶点处能量为可以证明抛物线顶点处曲率半径，则有得到图4-10-3抛物线轨道能量 iii）双曲线设双曲线方程为焦距，太阳位于焦点（C，0），星体m在双曲线正半支上运动。如图4-10-3所示，其渐近线OE方程为y=bx/a，考虑m在D处与无穷远处关系，有考虑到当，运动方向逼近渐近线，焦点与渐近线距为故有 或 联解得双曲线轨道能量小结 椭圆轨道 抛物线轨道 双曲线轨道以下举一个例子质量为m的宇宙飞船绕地球中心0作圆周运动，已知地球半径为R，飞船轨道半径为2R。图4-10-4现要将飞船转移到另一个半径为4R的新轨道上，如图4-10-4所示，求（1）转移所需的最少能量；（2）如果转移是沿半椭圆双切轨道进行的，如图中的ACB所示，则飞船在两条轨道的交接处A和B的速度变化各为多少？解: （1）宇宙飞船在2R轨道上绕地球运动时，万有引力提供向心力，令其速度为，乃有 故得 此时飞船的动能和引力势能分别为所以飞船在2R轨道上的机械能为同理可得飞船在4R轨道上的机械能为 以两轨道上飞船所具有的机械能比较，知其机械能的增量即为实现轨道转移所需的最少能量，即 （2）由（1）已得飞船在2R轨道上运行的速度为 同样可得飞船4R轨道上运行的速度为 设飞船沿图示半椭圆轨道ACB运行时，在A、B两点的速度分别为。则由开普勒第二定律可得 又由于飞船沿此椭圆轨道的一半运行中机械能守恒，故应有联立以上两式解之可得故得飞船在A、B两轨道交接处的速度变化量分别为 a图4-10-5 例如：三个钢球A、B、C由轻质的长为的硬杆连接，竖立在水平面上，如图4-10-5所示。已知三球质量，距离杆处有一面竖直墙。因受微小扰动，两杆分别向两边滑动，使B球竖直位置下降。致使C球与墙面发生碰撞。设C球与墙面碰撞前后其速度大小不变，且所有摩擦不计，各球的直径都比小很多，求B球落地瞬间三球的速度大小。 解： （1）球碰墙前三球的位置 视A、B、C三者为一系统，A、C在水平面上滑动时，只要C不与墙面相碰，则此系图4-10-7统不受水平外力作用，此系统质心的水平坐标不发生变化。以图4-10-6表示C球刚好要碰墙前三球的位置，以表示此时BC杆与水平面间的夹角，则AB杆与水平面间的夹角也为，并令BA杆上的M点与系统质心的水平坐标相同，则应有故得 由上述知M点的水平坐标应与原来三秋所在的位置的水平坐标相同，故知此刻M点与右侧墙面的距离即为，即M点与C球的水平距离为，由此有，即。由上式解得，故有 （2）求三球碰墙前的速度 由于碰墙前M点的水平坐标不变，则在A、C沿水平面滑动过程中的任何时刻，由于图中的几何约束，C点与M点的水平距离总等于A点与M点的水平距离的倍，可见任何时刻C点的水平速度大小总为A点水平速度大小的倍。以、分别表示图5-2-2中三球的速度，则有 又设沿BC方向的分量为，则由于和分别为杆BC两端的小球速度，则此两小球速度沿着杆方向的投影应该相等，即。再设沿BA方向的分量为，同上道理可得 注意到BA与BC两个方向刚好互相垂直，故得的大小为以两式带入上式，乃得 图4-10-8 由于系统与图5-2-1状态到图5-2-2状态的机械能守恒，乃有。以式代入上式。解方程知可得 （3）求C球在刚碰墙后三球的速度 如图4-10-8所示，由于C球与墙碰撞，导致C球的速度反向而大小不变，由于杆BC对碰撞作用力的传递，使B球的速度也随之变化，这一变化的结果是：B球速度沿CB方向的分量与C球速度沿CB方向的分量相等，即 由于BC杆只能传递沿其杆身方向的力，故B球在垂直于杆身方向（即BA方向）的速度不因碰撞而发生变化，A球的速度也不因碰撞而发生变化，即其仍为。故得此时B球速度沿BA方向的分量满足 ， 乃得刚碰撞后B球速度大小为 （4）求B球落地时三球的速度大小 碰撞后，三球速度都有水平向左的分量，可见此后系统质心速度在水平方向的分量应该方向向左，且由于此后系统不受水平外力，则应维持不变。由上解得的三球速度，可得应该满足。以、诸式代入上式可解得 当B球落地时，A、B、C三小球均在同一水平线上，它们沿水平方向的速度相等，显然，这一速度也就是系统质心速度的水平分量。而B小球刚要落地时，A、C两球的速度均沿水平方向（即只有水平分量），B球的速度则还有竖直分量，以落表示此刻B球速度的大小。则由图4-10-8所示的状态到B小球刚要落地时，系统的机械能守恒，由此有以、各式代入上式可解得落= 综合上述得本题答案为：当B小球刚落地时，A、B、C三球的速度大小分别为、和。固体和液体31 固体的有关性质固体可以分为晶体和非晶体两大类。岩盐、水晶、明矾、云母、冰、金属等都是晶体；玻璃、沥清、橡胶、塑料等都是非晶体。(1)晶体和非晶体晶体又要分为单晶体和多晶体两种。单晶体具有天然规则的几何外形，如雪花的形状总是六角形的。并且，单晶体在各个不同的方向上具有不同的物理性质，即各向导性。如力学性质(硬度、弹性模量等)、热性性质(热胀系数、导热系数等)、电学性质(介电常数、电阻率等)、光学性质(吸收系数、折射率等)。如云母结晶薄片，在外力作用下很容易沿平行于薄片的平面裂开，但在薄片上裂开则要困难得多；在云母片上涂一层薄薄的石蜡，然后用烧热的钢针去接触云母片的反面，则石蜡将以接触点为中心、逐渐向四周熔化，熔化了的石蜡成椭圆形，如果用玻璃片做同样的实验，熔化了的石蜡成圆形，这说明非晶体玻璃在各方向的导热系数相同，而晶体云母沿各方向的导热系数不同。因多晶体是由大量粒(小晶体)无规则地排列组合而成，所以，多晶体不但没有规则的外形，而且各方向的物理性质也各向同性。常见的各种金属材料就是多晶体。但不论是单晶体还是多晶体，都具有确定的熔点，例如不同的金属存在着不同的熔点。非晶体没有天然规则的几何外形，各个方向的物理性质也相同，即各向同性。非晶体在加热时，先逐渐变软，接着由稠变稀，最后成为液体，因此，非晶体没有一定的熔点。晶体在加热时，温度升高到熔点，晶体开始逐渐熔解直到全部融化，温度保持不变，其后温度才继续上升。因此，晶体有一定的熔点。(2)空间点阵图3-1-1晶体与非晶体性质的诸多不同，是由于晶体内部的物质微粒(分子、原子或离子)依照一定的规律在空间中排列成整齐的后列，构成所谓的空间点阵的结果。图3-1-1是食盐的空间点阵示意图，在相互垂直的三个空间方向上，每一行都相间的排列着正离子(钠离子)和负离子(氯离子)。晶体外观的天然规则形状和各向异性特点都可以用物质微粒的规则来排列来解释。在图3-1-2中表示在一个平面上晶体物质微粒的排列情况。从图上可以看出，沿不同方向所画的等长直线AB、AC、AD上，物质微粒的数目不同，直线AB上物 ABCD图3-1-2质微粒较多，直线AD上较少，直线AC上更少。正因为在不同方向上物质微粒排列情况不同，才引起晶体在不同方向上物理性质的不同。组成晶体的粒子之所以能在空间构成稳定、周期性的空间点阵，是由于晶体微粒之间存在着很强的相互作用力，晶体中粒子的热运动不能破坏粒子之间的结合，粒子仅能在其平衡位置(结点处)附近做微小的热振动。晶体熔解过程中达熔点时，它吸收的热量都用来克服有规则排列的空间点阵结构，所以，这段时间内温度就不会升高。例题:NaCl的单位晶胞是棱长a=5.610m的立方体，如图7-1-3。黑点表示Na位置， 图3-1-3圆圈表示Cl位置，食盐的整体就是由这些单位晶胞重复而得到的。Na原子量23，Cl原子量35.5，食盐密度g/m。我们来确定氢原子的质量。在一个单位晶胞里，中心有一个Na，还有12个Na位于大立方体的棱上，棱上的每一个Na同时为另外三个晶胞共有，于是属于一个晶胞的Na数n=1+=4，Cl数n=4。晶胞的质量m=4(m+m)原子质量单位。a=4(23+35.5)m，得m=1.6710kg。32 固体的热膨胀几乎所有的固体受热温度升高时，都要膨胀。在铺设铁路轨时，两节钢轨之间要留有少许空隙，给钢轨留出体胀的余地。一个物体受热膨胀时，它会沿三个方向各自独立地膨胀，我们先讨论线膨胀。固体的温度升高时，它的各个线度(如长、宽、高、半径、周长等)都要增大，这种现象叫固体的线膨胀。我们把温度升高1所引起的线度增长跟它在0时线度之比，称为该物体的线胀系数。设一物体在某个方向的线度的长度为，由于温度的变化T所引起的长度的变化。由实验得知，如果T足够小，则长度的变化与温度的变化成正比，并且也与原来的长度成正比。即=T式中的比例常数称作线膨胀系数。对于不同的物质，具有不同的数值。将上式改写为.。所以，线膨胀系数的意义是温度每改变1K时，其线度的相对变化。即：式中的单位是1/，为0时固体的长度，为时固体的长度，一般金属的线胀系数大约在/的数量级。上述线胀系数公式，也可以写成下面形式如果不知道0时的固体长度，但已知时固体的长度，则时的固体长度为于是，这是线膨胀有用的近似计算公式。对于各向同性的固体，当温度升高时，其体积的膨胀可由其线膨胀很容易推导出。为简单起见，我们研究一个边长为l的正方体，在每一个线度上均有：。因固体的值很小，则相比非常小，可忽略不计，则式中的3称为固体的体膨胀系数。随着每一个线度的膨胀，固体的表面积和体积也发生膨胀，其面膨胀和体膨胀规律分别是 考虑各向同性的固体，其面胀系数、体胀系数跟线胀系数的关系为=2，=3。例1:某热电偶的测温计的一个触点始终保持为0，另一个触点与待测温度的物体接触。当待测温度为t时，测温计中的热电动势力为其中-1,mv-2。如果以电热电偶的热电动势为测温属性，规定下述线性关系来定义温标，即。并规定冰点的，汽点的，试画出的曲线。分析:温标以热电动势为测温属性，并规定与成线性关系。又已知与摄氏温标温度t之间的关系，故与t的关系即可求得。系数a和b由规定的冰点和汽点的值求得。解:已知，得出与t的关系为。t0100200300400100400/3图3-2-1规定冰点的，规定汽点的t=100，代入，即可求得系a与b为b=0,于是，和t的关系为曲线如图3-2-1所示，与t之间并非一一对应，且有极值。例2:有一摆钟在25时走时准确，它的周期是2s，摆杆为钢质的，其质量与摆锤相比可以忽略不计，仍可认为是单摆。当气温降到5时，摆钟每天走时如何变化？已知钢的线胀系数 -1。分析:钢质摆杆随着温度的降低而缩短，摆钟走时变快。不管摆钟走时准确与否，在盘面上的相同指示时间，指针的振动次数是恒定不变的，这由摆钟的机械结构所决定，从而求出摆钟每天走快的时间。解:设25摆钟的摆长，周期，5时摆长为，周期，则由于，因此，说明在5时摆钟走时加快在一昼夜内5的摆钟振动次数，这温度下摆钟指针指示的时间是。这摆钟与标准时间的差值为t，33液体性质331、液体的宏观特性及微观结构液体的性质介于固体与气体之间，一方面，它像固体一样具有一定的体积，不易压缩；另一方面，它又像气体一样，没有一定的形状，具有流动性，在物理性质上各向同性。液体分子排列的最大特点是远程无序而短程有序，即首先液体分子在短暂时间内，在很小的区域(与分子距离同数量级)作规则的排列，称为短程有序；其次，液体中这种能近似保持规则排列的微小区域是由诸分子暂时形成的，其边界和大小随时改变，而且这些微小区域彼此之间的方位取向完全无序，表现为远程无序。因而液体的物理性质在宏观上表现为各向同性。液体分子间的距离小，相互作用力较强，分子热运动主要表现为在平衡位置附近做微小振动，但其平衡位置又是在不断变化的，因而，宏观上表现为液体具有流动性。332、液体的热膨胀液体没有一定的形状，只有一定的体积，因此对液体只有体膨胀才有意义。实验证明，液体的体积跟温度的关系和固体的相同，也可以用下面的公式表示：式中是在0时的体积，是液体在t时的体积，是液体的体胀系数，一般液体的体胀系数比固体大12个数量级，并且随温度升高有比较明显的增大。液体除正常的热膨胀外，还有反常膨胀的现象，例如水的反常膨胀，水在4时体积最小，密度最大，而4以下体积反而变大，密度变小，直到0时结冰为止，正是由于水的这一奇特的性质，使得湖水总是从湖面开始结备，随着气温下降，冰层从湖面逐渐向下加厚，也亏得这一点，水中的生物才安然地度过严冬。333、物质的密度和温度的关系固体和液体的体积随温度而变化，这将引起物体的密度变化，设某物体的质量为m，它在0时的体积为，则0时该物体的密度是。设物体在t时密度，体积，则。又有，式中是固体或液体的体膨胀系数，代入表达式得。例1 一支水银温度计，它的石英泡的容积是0.300cm3，指示管的内径是0.0100cm，如果温度从30.0升高至40.0，温度计的水银指示线要移动多远？(水银的体胀系数/)解：查表可得石英的线胀系数/，则其体胀系数为/。与水银的体胀系数/相比很小可忽略不计，所以当温度升高时，可以认为石英泡的容积不变，只考虑水银的膨胀，水银体积的增量水银体积的增量V，这是在水银指示管中水银上升的体积，所谓水银指示线移动的长度，就是水银上升的高度，即说明有些仪器，例如液体温度计，就是利用液体体积的热膨胀特性作为测量依据的。由于体胀系数与测量物质的种类有关，而且即使是同种物质，还与温度及压强有关，因此在使用这些仪器时，应考虑到由于的变化而引起的测量误差。例如一支水银温度计，在冰点校准为0，在水的沸点校准为100，然后将二者间均分100份，刻上均匀刻度。严格地说，这种刻度是不准确的。由于值随温度的升而增大，所以在高温处刻度应该稀一些，在低温处应该密一些；如果均匀刻度，则在测高温时读数会偏高，而在低温时读数会偏低。不过这种差别并不大，一般可以忽略。34液体的表面张力341、表面张力和表面张力系数ABCD图3-4-1液体下厚度为分子作用半径的一层液体，叫做液体的表面层。表面层内的分子，一方面受到液体内部分子的作用，另一方面受到气体分子的作用，由于这两个作用力的不同，使液体表面层的分子分布比液体内部的分子分布稀疏，分子的平均间距较大，所以表面层内液体分子的作用力主要表现为引力，正是分子间的这种引力作用，使表面层具有收缩的趋势。液体表面的各部分相互吸引的力称为表面张力，表面张力的方向与液面相切，作用在任何一部分液面上的表面张力总是与这部分液面的分界线垂直。表面张力的大小与所研究液面和其他部分的分界线长度L成正比，因此可写成式中称为表面张力系数，在国际单位制中，其单位是N/m，表面张力系数的数值与液体的种类和温度有关。342表面能我们再从能量角度研究张力现象，由于液面有自动收缩的趋势，所以增大液体表面积需要克服表面张力做功，由图3-4-1可以看出，设想使AB边向右移动距离x，则此过程中外界克服表面张力所做的功为式中S表示AB边移动x时液膜的两个表面所增加的总面积。若去掉外力，AB边会向左运动，消耗表面自由能而转化为机械能，所以表面自由能相当于势能，凡势能都有减小的 AB123图3-4-2趋势，而，所以液体表面具有收缩的趋势，例如体积相同的物体以球体的表面积最小，所以若无其他作用力的影响，液滴等均应为球体。例 将端点相连的三根细线掷在水面上，如图3-4-2所示，其中1、2线各长1.5cm，3线长1cm，若在图中A点滴下某种杂质，使表面张力系数减小到原来的0.4，求每根线的张力。然后又把该杂质滴在B点，求每根线的张力：已知水的面表张力系数=0.07N/m。12TTF1F2图3-4-3A滴入杂质后，形成图3-4-3形状，取圆心角为的一小段圆弧，该线段在线两侧张力和表面张力共同作用下平衡，则有，式中代入后得。B中也滴入杂质后，线3松弛即，形成圆产半径cm，仿上面解法得。343、表面张力产生的附加压强表面张力的存在，造成弯曲液面的内、外的压强差，称为附加压强，其中最简单的就是球形液面的附加压强，如图3-4-4所示，在半径为R的球形液滴上任取一球冠小液块来分析(小液块与空气的分界面的面积是，底面积是S，底面上的A点极靠近球面)，此球冠形小液体的受力情况为：在S面上处处受与球面垂直的大气压力作用，由对称性易知，大气压的合力方向垂直于S面，大小可表示为 。在分界线上(图中的虚线处)处处受到与球面相切的表面张力的作用，这些表面张力的水平分力相互抵消，故合力也与S面垂直，大小为球冠形液块的重力mg，但因A点极邻近液面，所以截块很小，mg的数值可忽略。根据小液块的力学平衡条件可得SAR图3-4-4将及R、f的表示式代入上式可得图3-4-5应该指出是上式是在凸液面条件下导出的，但对凹液面也成立，但凹球形液面(如液体中气泡的表面)内的压强p小于外部压强，另外，对球形液泡(如肥皂泡)由于其液膜很薄，液膜的内外两个表面的半径可看成相等，易得球形液泡内部压强比外部压强大数值。例 当两个相接触的肥皂泡融合前，常有一个中间阶段，在两个肥皂泡之间产生一层薄膜，见图3-4-5所示。(1)曲率半径和已知，求把肥皂泡分开的薄膜的曲率半径。(2)考虑的特殊情况，在中间状态形成前，肥皂泡的半径是什么？在中间膜消失后，肥皂泡的半径是什么？我们假定，肥皂泡里的超压只与表面张力及半径有关，而且比大气压小得多，因此泡内的气体体积不会改变。解 ：(1)设肥皂液的表面张力系数为，则液泡内的超压为，因此半径小的液泡内的超压大，泡内气体的压强也就比较大，所以连体过渡泡的中间隔膜应向半径较大的泡一边凸出。设中间隔膜的曲率半径为，则该曲面产生的附加压强为，为了使中间状态的隔膜保持平衡，应有O1O2A图3-4-6即。(2)当时，隔膜的曲率半径，即是一个平面，在界线上任取一点A，它受到两个球面及薄膜的表面张力、均跟各面相切，如图3-4-6所示。由于是同一种液体，故三力大小，平衡时它们的方向彼此夹120角，应组成等边三角行，“球幅”的高度d=r/2，所以每过过渡泡的体积为而压强设生成过渡泡前的肥皂泡半径为R，则生成大泡半径为，则依据玻意耳定律有若考虑到，则泡内气体总体积可认为不变，故可近似得出说明对本题，比较有意思的是，泡内超压p比大气压小得多时，气体的总体积保持不变。344、浸润和不浸润水水银（a） （b） 图3-4-7液体与固体接触的表面，厚度等于分子作用半径的一层液体称为附着层。在附着层中的液体分子与附着层外液体中的分子不同。若固体分子对附着层内的分子作用力附着力，大于液体分子对附着层的分子作用力内聚力时，则附着层内的分子所受的合力垂直于附着层表面，指向固体，此时若将液体内的分子移到附着层时，分子力做正功，该分子势能减小。固一个系统处于稳定平衡时，应具有最小的势能，因此液体的内部分子就要尽量挤入附着层，使附着层有伸长的趋势，这时我们称液体浸润固体。反之，我们称液体不浸润固体。在液体与固体接触处，分别作液体表面的切线与固体表面的切线，在液体内部这两条切线的夹角，称为接触角。图3-4-7中，液体与固体浸润时，为锐角；液体与固体不浸润时，为钝角。两种理想情况是=0时，称为完全浸润；=时，称为完全不浸润。例如：水和酒精对玻璃的接触角0，是完全浸润；水银对玻璃的接触角140，几乎完全不浸润。由于液体对固体有浸润和不浸润的情况，所以细管内的液体自由表面呈现不同的弯曲面，叫做弯月面。若液体能浸润管壁，管内液面呈凹弯月面；若液体不能浸润管壁，管内液面呈凸弯月面。液体完全浸润管壁，则=0，弯月面是以管径为直径的凹半球面；液体完全不浸润管壁，则=，弯月面是以管径为直径的凸半球面。例 在航天飞机中原有两个圆柱形洁净玻璃容器，其中分别装有一定量的水和水银，如图3-4-7(a)和(b)。当航天飞机处于失重状态时，试分别画出这两个容器中液体的形状。图3-4-8分析：在失重情况下，液体的形状取决于表面张力和与玻璃浸润情况。解：由于水银对玻璃是不浸润的，附着层面积要尽量小，水对玻璃是浸润的，附着层面积要尽量大，因此将形成如图7-4-8所示的形状。345、毛细现象管径很细的管子叫做毛细管。将毛细管插入液体内时，管内、外液面会产生高度差。如果液体浸润管壁，管内液面高于管外液面；如果液体不浸润管壁，管内液面低于管外液面。这种现象叫毛细现象。如图3-4-9所示为浸润液体的情形。设毛细管的半径为r，液体的表面张力系数为，接触角，管内液面比管外液面高h。则凹形液面产生的向上的表面张力是，管内h高的液柱的重力是，固液注平衡，则：对于液面不浸润管壁的情况，上式仍正确，此时是钝角，h是负值，表示管内液面低于管外液面。如果液体完全浸润管壁=0，为凹半球弯月面，表面张力沿管壁身上，。例 在两端开口，半径1mm的玻璃毛细管内装满水，然后把它竖直放置，这时留在管中 h图3-4-9水柱有多长？水的表面张力系数。解：水能完全浸润管壁，留在管内的水柱重量应与上下两个弯月面的表面张力相平衡。注意：上弯月面=0，下弯月面=。 于是35典型例题分析例1、绷紧的肥皂薄膜有两个平行的边界，线AB将薄膜分隔成两部分(如图3-5-1)。为了演示液体的表面张力现象，刺破左边的膜，线AB受到表面张力作用被拉紧，试求此时线的张力。两平行边之间的距离为d，线AB的长度为l(ld/2)，肥皂液的表面张力系数为。 AB薄膜d图3-5-1解：刺破左边的膜以后，线会在右边膜的作用下形状相应发生变化(两侧都有膜时，线的形状不确定)，不难推测，在ld/2的情况下，线会形成长度为的两条直线段和半径为d/2的半圆，如图3-5-2所示。线在C、D两处的拉力及各处都垂直于该弧线的表面张力的共同作用下处于平衡状态，显然 ABTTCD图3-5-2式中为在弧线上任取一小段所受的表面张力，指各小段所受表面张力的合力，如图3-5-2所示，