高中物理 第1章 第4、5节 反冲运动 自然界中的守恒定律课件 粤教版选修3-5.ppt

第四节反冲运动第五节自然界中的守恒定律 第一章碰撞与动量守恒 栏目链接 学习目标 1 认识反冲运动 能举出几个反冲运动的实例 2 结合动量守恒定律对反冲现象做出解释 进一步提高运用动量守恒定律分析和解决实际问题的能力 3 知道火箭的飞行原理和主要用途 了解我国航空 航天事业的巨大成就 4 了解自然界中的守恒与对称 栏目链接 反冲运动 1 两位同学在公园里划船 租船的时间将到 他们把小船划向码头 当小船离码头大约1 5m左右时 有一位同学心想 自己在体育课上立定跳远的成绩从未低于2m 跳到岸上绝对没有问题 于是她纵身一跳 结果却掉到了水里 她为什么不能如她所想的那样跳到岸上呢 提示 这位同学与船 包括船上的同学 组成的系统在不考虑水阻力的情况下 水平方向所受合外力为零 系统水平方向动量守恒 她在跳出瞬间 船要向后运动 栏目链接 1 定义 当原来静止或运动的物体向某一方向射出 或抛出 它的一部分时 这个物体的剩余部分将向相反方向运动 这种运动叫反冲运动 2 反冲运动的特点 1 物体的不同部分在内力作用下向相反方向运动 2 反冲运动和碰撞 爆炸相似 相互作用力一般很大 可以用动量守恒定律来处理 3 反冲运动中常伴有其他形式的能转化为机械能 系统的总能量增加 栏目链接 3 求解反冲运动应注意的问题 1 速度的反向性 对于原来静止的系统 当向某一方向射出 或抛出 它的一部分时 剩余部分的反冲是相对于抛出部分来说 两者运动方向必然相反 进行计算时 可任意规定某一部分的运动方向为正方向 则反方向的另一部分的速度应取负值 2 速度的同时性 反冲运动问题中 根据动量守恒定律列出的方程中同一状态的速度应是同时的 栏目链接 3 速度的相对性 反冲运动中 有时遇到的速度是相互作用的两物体间的相对速度 由于动量守恒定律中要求速度为对同一惯性系的速度 即对地的速度 因此应先将相对速度转换成对地的速度后 再列动量守恒定律方程 4 变质量问题 在反冲运动中还常遇到变质量物体的运动 如在火箭的运动过程中 随着燃料的消耗 火箭本身的质量不断减小 此时必须取火箭本身和在相互作用的短时间内喷出的所有气体为研究对象 取相互作用的这个过程为研究过程来进行研究 栏目链接 一火箭喷气发动机每次喷出m 200g的气体 气体离开发动机喷出时的速度v 1000m s 设火箭质量M 300kg 发动机每秒钟喷气20次 1 当第三次喷出气体后 火箭的速度多大 2 运动第1s末 火箭的速度多大 解析 火箭喷气属反冲现象 火箭和气体组成的系统动量守恒 运用动量守恒定律求解 1 选取整体为研究对象 运用动量守恒定律求解 栏目链接 设喷出三次气体后火箭的速度大小为v3 以火箭和喷出的三次气体为研究对象 据动量守恒定律得 M 3m v3 3mv 0 故v3 2m s 2 发动机每秒钟喷气20次 以火箭和喷出的20次气体为研究对象 根据动量守恒定律得 M 20m v20 20mv 0 故v20 13 5m s 答案 1 2m s 2 13 5m s 栏目链接 课堂训练1 一门旧式大炮 炮身的质量M 1000kg 水平发射一枚质量是2 5kg的炮弹 如果炮弹从炮口飞出时的速度是600m s 求炮身后退的速度大小 解析 发射炮弹过程中 炮身和炮弹组成的系统动量守恒 设炮弹飞出的方向为正方向 则得 Mv1 mv2 0 故v1 1 5m s 负号表示炮后退的方向为炮弹飞出的反方向 答案 1 5m s 栏目链接 人船模型 问题 人船模型有哪些规律 提示 1 人 走 船 走 人 停 船 停 2 s人 s船 s人 s船的大小与人运动的时间和运动状态无关 栏目链接 1 人船模型 问题的特征 两个原来静止的物体发生相互作用时 若所受外力的矢量和为零 则动量守恒 在相互作用的过程中 任一时刻两物体的速度大小之比等于质量的反比 这样的问题归为 人船模型 问题 2 处理 人船模型 问题的关键 1 利用动量守恒 确定两物体速度关系 再确定两物体通过的位移关系 由于动量守恒 所以任一时刻系统的总动量为零 动量守恒式可写成m1v1 m2v2的形式 v1 v2为两物体的瞬时速率 此式表明任意时刻的瞬时速率都与各物体的质量成反比 栏目链接 所以全过程的平均速度也与质量成反比 进而可得两物体的位移大小与各物体的质量成反比 即 2 解题时要画出各物体的位移关系草图 找出各长度间的关系 3 注意 1 人船模型 问题中 两物体的运动特点是 人 走 船 行 人 停 船 停 2 在求解过程中应讨论的是 人 及 船 的对地位移 栏目链接 有一只小船停在静水中 船上一人从船头走到船尾 如果人的质量m 60kg 船的质量M 120kg 船长为l 3m 则船在水中移动的距离是多少 水的阻力不计 栏目链接 解析 人在船上走时 由于人 船系统所受合力为零 总动量守恒 因此系统的平均动量也守恒 如右图所示 设人从船头到船尾的时间为t 在这段时间里船后退的距离为x 人相对地运动距离为l x 选船后退方向为正方向 由动量守恒有 答案 1m 方法总结 动量守恒定律是瞬时关系式 动量守恒是指时时刻刻的动量守恒 故人匀速走动 车匀速后退 人加速走动 车加速后退 人减速走动 车减速后退 人动车动 人快车快 人慢车慢 人停车停 动量守恒定律的参考系是地面 故人对地位移不是车长L L为人相对于车的位移 作出位移示意图有助于正确求解 课堂训练2 多选 一只小船静止在水面上 一人从船头向船尾走去 设M船 m人 不计水的阻力 则 AD A 人在船上行走时 人对地的速度大于船对地的速度B 人在船上行走时 人对地的速度小于船对地的速度C 当人停止时 因船的惯性大 所以船要继续后退D 人和船组成的系统动量守恒 且总动量等于零 所以人停止船也停止解析 由于不计水的阻力 船和人组成的系统所受合力为零 动量守恒 设船和人的速率分别为v船 v人 并选船的方向为正方向可得M船v船 m人v人 0 即M船v船 m人v人 由M船 M人得v船 v人 当v人 0时v船 0 故选项A D对 B C错 对守恒定律的理解 解决动力学问题有哪几种基本观点 提示 解决动力学问题的三个基本观点 1 力的观点 牛顿运动定律结合运动学规律解题 2 动量观点 用动量定理和动量守恒定律解题 3 能量观点 用动能定理和能量转化守恒定律解题 栏目链接 1 守恒定律的特点 1 守恒定律并不告诉我们物体状态变化的全部细节 也不能判定某种变化是否会发生 也无法描述变化过程的快慢 2 守恒定律可以用来判断某个变化是否可能发生 以及一旦发生物体初 末状态间应满足什么样的关系 即在符合守恒条件时 可以不分析系统内相互作用过程的细节 而对系统的变化状态或一些问题作出判断 3 物理学中各种各样的守恒定律 本质上就是某种物理量保持不变 例如 在微观世界中我们对粒子之间的相互作用情况不清楚 但是仍然可以用守恒定律得出一些结论 当两个亚原子微粒碰撞时 由于对碰撞过程中的各种细节我们还缺乏完整而可靠的计算理论 因而事先并不能准确预知碰撞的结果 但却可以根据能量与动量守恒推断碰撞后是否会有未观察到的粒子产生 从而在实验中加以注意 进行检验 2 守恒与对称的关系 1 所谓对称 其本质也就是具有某种不变性 守恒定律来源于对称 物理规律的每一种对称 即不变性 通常都对应于一种守恒定律 对称和守恒这两个重要概念是紧密联系在一起的 2 物理规律的对称性就是某种物理状态或过程在一定的变换下 例如转动 平移等等 它所服从的物理规律不变 如图所示 坡道顶端距水平面高度为h 质量为m1的小物块A从坡道顶端由静止滑下 进入水平面上的滑道时无机械能损失 为使A制动 将轻弹簧的一端固定在水平滑道延长线M处的墙上 另一端与质量为m2挡板B相连 弹簧处于原长时 B恰位于滑道的末端O点 A与B碰撞时间极短 碰后结合在一起共同压缩弹簧 已知在OM段A B与水平面间的动摩擦因数均为 其余各处的摩擦不计 重力加速度为g 求 1 物块A在与挡板B碰撞前瞬间速度v的大小 2 弹簧最大压缩量为d时的弹性势能Ep 设弹簧处于原长时弹性势能为零 解析 1 由机械能守恒定律 有 v 2 A B在碰撞过程中内力远大于外力 由动量守恒 有 m1v m1 m2 v A B克服摩擦力所做的功 W m1 m2 gd 由能量守恒定律 有 解得Ep gh m1 m2 gd 答案 1 2 gh m1 m2 gd 课堂训练3 一辆小车静止在光滑水平面上 小车立柱上拴有一根长为L的轻绳 轻绳末端拴着一个小球 如图所示 现将小球拉至水平位置后自静止释放 小球摆动的过程中不计一切阻力 则下列说法中正确的是 D A 小球摆动过程中机械能守恒B 小球开始摆动后 小球和小车组成的系统机械能守恒 动量守恒C 小球开始摆动后 小球和小车组成的系统机械能不守恒 动量不守恒D 小球开始摆动后 小球达最大速度时小车也同时达最大速度 解析 在小球下摆过程中 因小车运动 轻绳悬点移动 轻绳对小球做功不为零 故小球的机械能不守恒 但小球和小车组成的系统机械能是守恒的 小球在竖直方向上的动量是变化的 而小车无竖直动量 故系统在竖直方向上动量不守恒 但水平方向因无外力作用 水平方向上系统动量是守恒的 故A B C均错误 小球在最低点时速度最大 由水平方向动量守恒可知 小车此时速度也为最大 故D正确