高中物理 第一章 第四节 第五节《自然界中的守恒定律》课件 粤教选修3-5

欢迎进入物理课堂 第四节反冲运动 第五节自然界中的守恒定律 知识点1反冲运动1 反冲运动 1 反冲运动 当一个物体向某一方向射出它的一部分时 这个物体的剩余部分将向 2 本质 反冲运动中 相反方向运动 系统的动量是守恒的 2 反冲运动的特点 反冲运动和碰撞 爆炸有相似之处 相互作用力常为变力 且作用力大 一般都满足内力远远大于外力 所以反冲运动可用动量守恒定律来处理 1 反冲运动的问题中 有时遇到的速度是相作用的两物体间的相对速度 这时应先将相对速度转化成对地的速度 再列动量守恒的方程求解 2 在反冲运动中还常遇到变质量物体的运动 如火箭在运动过程中 随着燃料的消耗火箭本身的质量不断在减小 此时必须取火箭本身和在相互作用时的整个过程来进行研究 知识点2自然界中的守恒定律1 守恒与不变 守恒定律是自然界中普遍存在的重要的定律 它认为物体在相互作用之前和之后某些物理量的总数是不变的 1 本质 守恒定律的本质是物理量不会从虚无中产生 也不会消失 无论何时 如果某个量在某个时候或某个地方有所增加 那么它在另外一个时候或另外一个地方一定有相同数量的减少 2 特点 守恒定律不关心过程中的具体细节 它只是给出 了物体在初 末状态之间应该满足什么样的关系 3 高中物理最重要的守恒定律有两个 一个是能量守恒 一个是动量守恒 2 守恒与对称 所谓的对称 其本质也是具有某种不变性 守恒与对称之间有着必然的联系 人们相信自然界是和谐对称的 物理学在破译宇宙密码的同时 实实在在地展示了其 惊人的简单 神秘的对称 和 美妙的和谐 三大守恒定律 物质守恒定律 能量守恒定律 动量守恒定律 是物质世界和谐性最完美的体现 知识点3反冲运动的动量与能量 1 动量 反冲运动过程中 如果没有外力作用或外力的作 用远小于内力 动量守恒 2 能量 总动能增加 反冲运动是作用力与反作用力做正 功的典型事例 3 研究反冲运动的目的 找反冲速度的规律 求反冲速度的关键是确定相互作用的物体系统和其中各物体对地的运动状态 例题 一置于桌面上质量为M的玩具炮 水平发射质量为m的炮弹 炮可在水平方向自由移动 当炮身上未放置其他重物时 炮弹可击中水平地面上的目标A 当炮身上固定一质量为M0的重物时 在原发射位置沿同一方向发射的炮弹可击中水平地面上的目标B 炮口离水平地面的高度为h 如果两次发射时 火药 提供的机械能相等 求B A两目标与炮弹发射点之间的水平距离之比 答案 见解析 速度v 1 在水平轨道上放置一门质量为M的炮车 发射质量为m的炮弹 炮车与轨道间摩擦不计 当炮身与水平方向成 角发射炮弹时 炮弹相对地面的出射速度为v0 则此时炮身后退的 mv0cos M 知识点4守恒是贯穿高中物理的重要理念 自然现象丰富多彩 物体的运动千变万化 但在这纷繁复杂的现象中隐藏着简单和谐的美 守恒与不变 守恒与对称 这是物理学家开启神奇的自然界之门的金钥匙 1 能量守恒定律 能量守恒定律 能量 而只会 能量守恒是时间平移不变性的体现 能量守恒定律是物理学中最基本的定律之一 既不会被创生 也不会被消灭 从一种形式转化为另一种形式 总量保持不变 2 动量守恒定律 动量守恒定律 是指物体系统碰撞前后的总动量不変 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 动量守恒定律的适用条件 1 系统不受外力或系统所受外力的合力为零 2 系统所受外力的合力虽不为零 但F内 F外 亦即外力作用于系统中的物体导致的动量的改变较内力作用所导致的动量改变小得多 则此时可忽略外力作用 系统动量近似守恒 3 系统所受合外力虽不为零 但系统在某一方向所受合力 为零 则系统此方向的动量守恒 3 机械能守恒定律 在 的条件下 物体的动能和重力势能发生相互转化 但 在有弹簧弹力做功的情况下 也有类似的结论成立 这个规律叫做机械能守恒定律 只有重力对物体做功 机械能的总量保持不变 例题 图1 4 1所示为一根竖直悬挂的不可伸长的轻绳 下端栓一小物块A 上端固定在C点且与一能测量绳的拉力的测力传感器相连 已知有一质量为m0的子弹B沿水平方向以速度v0射入A内 未穿透 接着两者一起绕C点在竖直面内 做圆周运动 在各种阻力都可忽略的条件下测力传感器测得绳的拉力F随时间t的变化关系如图1 4 2所示 已知子弹射入的时间极短 且图1 4 2中t 0为A B开始以相同速度运动的时刻 根据力学规律和题中 包括图 提供的信息 对反映悬挂系统本身性质的物理量 例如A的质量 及A B一起运动过程中的守恒量 能求得哪些定量的结果 图1 4 1 图1 4 2 解析 由图1 4 2可直接看出 A B一起做周期性运动 运动的周期T 2t0 令m表示A的质量 l表示绳长 v1表示B陷入A内时即t 0时A B的速度 即圆周运动最低点的速度 v2表示运动到最高点时的速度 F1表示运动到最低点时绳的拉力 F2表示运动到最高点时绳的拉力 根据动量守恒定律 得 A B一起运动过程中的守恒量是机械能E 若以最低点为势能的零点 则 答案 见解析 2 如图1 4 3所示 弹簧的一端固定在竖直墙上 质量为m的光滑弧形槽静止在光滑水平面上 底部与水平面平滑连接 一个质 量也为m的小球从槽高h处开始下滑 图1 4 3A 在以后的运动过程中 小球和槽的动量始终守恒B 在下滑过程中小球和槽之间的相互作用力始终不做功C 被弹簧反弹后 小球和槽都做速率不变的直线运动D 被弹簧反弹后 小球和槽的机械能守恒 小球能回到槽高h处 解析 小球在斜面上下滑 在没有与弹簧接触之前 小球和斜面组成的系统机械能守恒 水平方向动量守恒 满足 答案 C 题型1 反冲运动的动量守恒 例题 一个静止的质量为M的不稳定原子核 放射出一个质量为m的粒子 粒子离开原子核时相对核的速度为v0 则 原子核剩余部分的速度为 答案 C 规律总结 反冲运动的动量守恒在应用时要注意两个问题 一是质量的变化 要注意到反冲核的质量等于原子核的质量减去粒子的质量 二是相对速度 一定要注意粒子的速度是相对于地面的还是相对于反冲核的 如果粒子的速度是相对于地面的 直接代入动量守恒定律等式中即可 如果是相对反冲核的 一定要把这个速度转换为相对地面的 动量守恒定律成立的条件就是速度必须是相对惯性参考系的 1 火箭喷气发动机每次喷出质量m 0 2kg的气体 喷出的气体相对地面的速度为v 1000m s 设火箭的初始质量M 300kg 发动机每秒喷气20次 若不计地球对它的引力作用和空气阻力作用 求火箭发动机工作5s后火箭的速度达多大 满足 0 M m 20 5 v m 20 5 v解得v 71 4m s 解 以火箭 包括在5s内要喷出的气体 为系统 系统的总动量守恒 以火箭的运动方向为正 则5s后火箭的动量为 M m 20 5 v 所喷出的气体动量为 m 20 5 v 题型2 火箭的最终速度 例题 火箭发射前的总质量为M 燃料燃尽后的剩余质量为m 火箭燃气的喷射速率为v0 那么燃料燃尽后火箭的飞行速率v为多大 答案 见解析 解析 火箭和燃气组成的系统总动量守恒 满足 0 mv M m v0 2 用火箭发射人造地球卫星 假设最后一节火箭的燃料用完后 火箭壳体和卫星一起以速度v 7 0 103m s绕地球做匀速圆周运动 已知卫星质量m 500kg 最后一节火箭壳体的质量M 100kg 某时刻火箭壳体与卫星分离 分离时卫星与火箭壳体沿轨道切线方向的相对速度u 1 8 103m s 试分析计算 分离后卫星的速度增加到多大 火箭壳体的速度多大 分离后它们将如何运动 解 设分离后卫星与火箭壳体相对于地面的速度分别为v1 和v2 分离时系统在轨道切线方向上动量守恒 M m v mv1 Mv2 且u v1 v2 1 8 103 解得v1 7 3 103m s v2 5 5 103m s 卫星分离后 v1 v2 将做离心运动 卫星将以该点为近地 点做椭圆运动 而火箭壳体分离后的速度v2 5 5 103m s v 因此做向心 运动 其轨道为以该点为远地点的椭圆运动 进入大气层后 轨道将不断降低 并烧毁 同学们 来学校和回家的路上要注意安全 同学们 来学校和回家的路上要注意安全