2018学年高中物理 第1章 碰撞与动量守恒 动量定理及其应用学案 教科版选修3-5.doc

动量定理及其应用【学习目标】1理解动量的概念，知道动量的定义，知道动量是矢量；2理解冲量的概念，知道冲量的定义，知道冲量是矢量；3知道动量变化量也是矢量，理解动量定理的确切含义和表达式，知道动量定理适用于变力的计算；4会用动量定理解释现象和处理有关问题【要点梳理】要点一、动量、动量定理 1动量及动量变化 （1）动量的定义：物体的质量和运动速度的乘积叫做物体的动量，记作动量是动力学中反映物体运动状态的物理量，是状态量在谈及动量时，必须明确是物体在哪个时刻或哪个状态所具有的动量在中学阶段，动量表达式中的速度一般是以地球为参照物的 （2）动量的矢量性：动量是矢量，它的方向与物体的速度方向相同，服从矢量运算法则 （3）动量的单位：动量的单位由质量和速度的单位决定在国际单位制中，动量的单位是千克米/秒，符号为 （4）动量的变化： 动量是矢量，它的大小，方向与速度的方向相同因此，速度发生变化时，物体的动量也发生变化 速度的大小或方向发生变化时，速度就发生变化，物体具有的动量的大小或方向也相应发生了变化，我们就说物体的动量发生了变化 设物体的初动量，末动量，则物体动量的变化 由于动量是矢量，因此，上式一般意义上是矢量式2冲量 （1）冲量的定义：力和力的作用时间的乘积叫做力的冲量，记作冲量是描述力对物体作用的时间累积效果的物理量 （2）冲量的矢量性：因为力是矢量，所以冲量也是矢量，但冲量的方向不一定就是力的方向 （3）冲量的单位：由力的单位和时间的单位共同决定在国际单位制中，冲量的单位是牛秒，符号为 （4）在理解力的冲量这一概念时，要注意以下几点： 冲量是过程量，它反映的是力在一段时间内的积累效果，所以它取决于力和时间两个因素较大的力在较短时间内的积累效果，可以和较小的力在较长时问内的积累效果相同求冲量时一定要明确是哪一个力在哪一段时间内的冲量 根据冲量的定义式，只能直接求恒力的冲量，无论是力的大小还是方向发生变化时，都不能直接用求力的冲量当力的方向不变时，冲量的方向跟力的方向相同，当力的方向变化时，冲量的方向一般根据动量定理来判断（即冲量的方向是物体动量变化的方向）3动量变化与冲量的关系动量定理 （1）动量定理的内容：物体所受合外力的冲量等于物体动量的变化数学表达式为 式中是物体初始状态的动量，是力的作用结束时的末态动量 动量定理反映了物体在受到力的冲量作用时，其状态发生变化的规律，是力在时间上的累积效果 （2）动量定理的理解与应用要点： 动量定理的表达式是一个矢量式，应用动量定理时需要规定正方向 动量定理公式中是研究对象所受的包括重力在内的所有外力的合力，它可以是恒力，也可以是变力当合外力为变力时，应该是合外力在作用时间内的平均值 动量定理的研究对象是单个物体或系统 动量定理中的冲量是合外力的冲量，而不是某一个力的冲量在所研究的物理过程中，如果作用在物体上的各个外力的作用时间相同，求合外力的冲量时，可以先求所有外力的合力，然后再乘以力的作用时间，也可以先求每个外力在作用时间内的冲量，然后再求所有外力冲量的矢量和如果作用在物体上各外力的作用时间不同，就只能先求每一个外力在其作用时间内的冲量，然后再求所有外力冲量的矢量和 动量定理中，是合外力的冲量，是使研究对象的动量发生变化的原因，并非产生动量的原因，不能认为合外力的冲量就是动量的变化合外力的冲量是引起研究对象状态变化的外在因素，而动量的变化是合外力冲量作用后导致的必然结果 动量定理不仅适用于宏观物体的低速运动，对微观物体和高速运动仍然适用 合外力的冲量是物体动量变化的量度要点二、有关计算 1动量变化量的计算 动量是矢量，当动量发生变化时，动量的变化，应运用平行四边形定则进行运算如图所示，当初态动量和末态动量不在一条直线上时，动量变化由平行四边形定则进行运算动量变化的方向一般与初态动量和末态动量的方向不相同当初、末动量在同一直线上时可通过正方向的选定，动量变化可简化为带有正、负号的代数运算 2冲量的计算方法 （1）若物体受到恒力的作用，力的冲量的数值等于力与作用时间的乘积，冲量的方向与恒力方向一致；若力为同一方向均匀变化的力，该力的冲量可以用平均力计算；若力为一般变力则不能直接计算冲量 （2）冲量的绝对性由于力和时间均与参考系无关，所以力的冲量也与参考系的选择无关 （3）冲量的计算公式既适用于计算某个恒力的冲量，又可以计算合力的冲量根据计算冲量时，只考虑该力和其作用时间这两个因素，与该冲量作用的效果无关 （4）冲量的运算服从平行四边形定则如果物体所受的每一个外力的冲量都在同一条直线上，那么选定正方向后，每个力冲量的方向可以用正负号表示，此时冲量的运算就可简化为代数运算 （5）冲量是一过程量，求冲量必须明确研究对象和作用过程，即必须明确是哪个力在哪段时间内对哪个物体的冲量 （6）计算冲量时，一定要明确是计算分力的冲量还是合力的冲量如果是计算分力的冲量还必须明确是哪个分力的冲量 （7）在图象下的面积就是力的冲量如图()所示，若求变力的冲量，仍可用“面积法”表示，如图()所示 3动量定理的应用 （1）一个物体的动量变化与合外力的冲量具有等效代换关系，二者大小相等，方向相同，可以相互代换，据此有：应用求变力的冲量：如果物体受到大小或方向改变的力的作用，则不能直接用求变力的冲量，这时可以求出该力作用下物体动量的变化，等效代换变力的冲量 应用求恒力作用下的曲线运动中物体动量的变化：曲线运动的物体速度方向时刻在变化，求动量变化需要应用矢量运算方法，比较麻烦如果作用力是恒力，可以求恒力的冲量，等效代换动量的变化 （2）用动量定理解释相关物理现象的要点由可以看出，当为恒量时，作用力的大小与相互作用的时间成反比例如，玻璃杯自一定高度自由下落，掉在水泥地面上，玻璃杯可能破碎，而掉在垫子上就可能不破碎，其原因就是玻璃杯的动量变化虽然相同，但作用时间不同：当为恒量时，物体动量的变化与作用时间成正比 例如，叠放在水平桌面上的两物体，如图所示，若施力快速将水平抽出，物体几乎仍静止，当物体抽出后，物体竖直下落 （3）应用动量定理解题的步骤： 选取研究对象； 确定所研究的物理过程及其始、终状态； 分析研究对象在所研究的物理过程中的受力情况； 规定正方向，根据动量定理列式； 解方程，统一单位，求得结果要点三、与其它相关知识的关联和区别 1几个物理量的区别 （1）动量与速度的区别 动量和速度都是描述物体运动状态的物理量它们都是矢量，动量的方向与速度的方向相同速度是运动学中描述物体运动状态的物理量，在运动学中只需知道物体运动的快慢，而无需知道物体的质量例如两个运动员跑百米，是比速度的大小，而无需考虑运动员的质量；动量是动力学中描述物体运动状态的物理量，可以直接反映物体受到外力的冲量后，其机械运动的变化情况，动量是与冲量及物体运动变化的原因相联系的如以相同速度向你滚过来的铅球和足球，你敢用脚踢哪一个？当然是足球，因为足球的质量小，让它停下来所需的冲量小 （2）动量与动能的区别及其联系 动量是矢量，动能是标量 动量的改变由合外力的冲量决定，而动能的改变由合外力所做的功决定 动量和动能与速度一样，它们都是描述物体运动状态的物理量，只是动能是从能量的角度描述物体的状态 物体具有一定的速度，就具有一定的动量，同时还具有一定的动能例如：质量的小球，在水平地面上运动的速度是则它具有的动量，它具有的动能即或 又如：两物体的质量分别为，且，当它们具有相同的动能时，由知物体的动量大于物体的动量；反之当它们具有相同的动量时，由可知，物体的动能小于物体的动能 （3）冲量与功的区别 冲量是矢量，功是标量 由可知，有力作用，这个力一定会有冲量，因为时间不可能为零但是由功的定义式可知，有力作用，这个力却不一定做功 例如：在斜面上下滑的物体，斜面对物体的支持力有冲量的作用，但支持力对物体不做功；做匀速圆周运动的物体，向心力对物体有冲量的作用，但向心力对物体不做功；处于水平面上静止的物体，重力不做功，但在一段时间内重力的冲量不为零 冲量是力在时间上的积累，而功是力在空间上的积累这两种积累作用可以在“”图象和“”图象上用面积表示 如图所示，（）图中的曲线是作用在某一物体上的力随时间变化的曲线，图中阴影部分的面积就表示力在时间内的冲量（）图中阴影部分的面积表示力做的功 2用动量概念表示牛顿第二定律 （1）牛顿第二定律的动量表达式 此式说明作用力等于物体动量的变化率 即是牛顿第二定律的另一种表示形式 （2）动量定理与牛顿第二定律的区别与联系 从牛顿第二定律出发可以导出动量定理，因此牛顿第二定律和动量定理都反映了外力作用与物体运动状态变化的因果关系 牛顿第二定律反应力与加速度之间的瞬时对应关系；而动量定理则反应力作用一段时间的过程中，合外力的冲量与物体初、末状态的动量变化间的关系 动量定理与牛顿第二定律相比较，有其独特的优点因在公式中，只涉及两个状态量和及一个过程量至于这两个状态中间是怎样的过程，轨迹是怎样的，加速度怎样，位移怎样全不考虑在力作用的过程中不管物体是做直线运动还是做曲线运动，动量定理总是适用的 动量定理除用来解决在恒力持续作用下的问题外，尤其适合用来解决作用时间短，而力的变化又十分复杂的问题，如冲击、碰撞、反冲运动等应用时只需知道运动物体的始末状态，无需深究其中间过程的细节只要动量的变化具有确定的值，就可以用动量定理求冲力或平均冲力，而这是用牛顿第二定律很难解决的因此，从某种意义上说，应用动量定理解题比牛顿第二定律更为直接，更加简单 牛顿第二定律只适用于宏观物体的低速运动情况，对高速运动的物体及微观粒子不再适用，而动量定理却是普遍适用的牛顿第二定律和动量定理都必须在惯性系中使用3动量定理与动能定理的比较动量定理动能定理公式标矢性矢量式标量式因果关系因合外力的冲量合外力的功（总功）果动量的变化动能的变化应用侧重点涉及力与时间涉及力与位移要点四、应用动量定理解题的步骤 1、选取研究对象； 2、确定所研究的物理过程及其始末状态； 3、分析研究对象在所研究的物理过程中的受力情况； 4、规定正方向，根据动量定理列式； 5、解方程，统一单位，求得结果。【典型例题】类型一、对基本概念的理解例1羽毛球是速度最快的球类运动之一，扣杀羽毛球的速度达到了，假设球飞来的速度为设羽毛球质量为，试求击球过程中羽毛球的动量变化【思路点拨】动量的变化量也是矢量，其方向与速度的改变量的方向相同【答案】见解析【解析】以球飞来的方向为正方向，则 ， 所以动量的变化量 所以球的动量变化大小为，方向与球飞来的方向相反 【总结升华】（1）因为是矢量，只要的大小、的大小和的方向三者中任何一个或几个发生了变化，动量就发生了变化 （2）动量的变化量也是矢量，其方向与速度的改变量的方向相同 （3）动量变化量的大小，一般都是用末动量减初动量，也称为动量的增量，此式是矢量式，若不在一条直线上时，要用平行四边形定则（或矢量三角形法则）求矢量差若在一条直线上，先规定正方向，再用正、负表示，则可用进行代数运算求解举一反三：【变式1】如图所示在倾角的斜面上，有一质量的物体沿斜面以匀速下滑，求物体下滑的时间内：（1）斜面对物体的支持力的冲量和功；（2）斜面对物体的冲量和功； 【答案】（1），垂直斜面向上； （2）斜面对物体的冲量：，竖直向上 斜面对物体的功：【解析】(1)“斜面对物体的冲量和功”指的是斜面对物体的支持力和摩擦力对物体的冲量的和、功的和！也可以理解为：支持力和摩擦力的合力对物体的冲量的和、功的和！(2)因为物体匀速下滑，所以弹力和摩擦力的合力与重力等大反向。合冲量：合外力的冲量。【变式2】质量为的钢球自高处落下，以速率碰地，竖直向上弹回，碰撞时间为，离地的速率为在碰撞过程中，地面对钢球的冲量方向和大小为（ ） A向下， B向下， C向上， D向上，【答案】D【解析】取竖直向上为正方向，如图所示， 由动量定理是，知，即 则，方向向上 【总结升华】物体动量变化与物体所受合外力冲量有关，因此解决这一类问题要注意研究对象和研究过程中物体的受力分析例2.一质量为的小球从高处自由下落到一厚软垫上。若从小球接触软垫到小球陷至最低点经历了，则这段时间内软垫对小球的平均冲击力为多少(取，不计空气阻力)？【答案】【解析】解法一：自由下落，接触软垫前的速度为： 在内，以上为正，由动量定理有： 得：解法二：自由下落时间为；全程由动量定理，取向上为正： 得：【总结升华】(1)本题解法2再次表明动量定理适用于变力作用过程(2)合外力在一段时间内的冲量等于这段时间内各分段时间 内冲量的矢量和，又等于这段时间内各外力对物体冲量的矢量和(3)此题求解时，显然对整个过程应用动量定理来处理，解起来更为简捷 类型二、用动量定理解释两类现象例3.如图，把重物压在纸带上，用一水平力缓缓拉动纸带，重物跟着一起运动，若迅速拉动纸带，纸带将会从重物下面抽出，解释这些现象的正确说法是（ ）A在缓慢拉动纸带时，重物和纸带间的摩擦力大B在迅速拉动时，纸带给重物的摩擦力小C在缓慢拉动时，纸带给重物的冲量大D在迅速拉动时，纸带给重物的冲量小【思路点拨】分析问题时，要搞清楚哪个量一定，哪个量变化。【答案】CD【解析】在缓慢拉动时，两物体之间的作用力是静摩擦力，在迅速拉动时，它们之间的作用力是滑动摩擦力。由于通常认为滑动摩擦力等于最大静摩擦力。所以一般情况是：缓拉摩擦力小；快拉摩擦力大，故AB都错；缓拉纸带时，摩擦力虽小些，但作用时间很长，故重物获得的冲量可以很大，所以能把重物带动。快拉时摩擦力虽大些，但作用时间很短，故冲量小，所以动量改变也小，因此，CD正确。【总结升华】用动量定理解释现象一般可分为两类：一类是物体的动量变化一定，力的作用时间越短，力就越大；时间越长，力就越小。另一类是作用力一定，力的作用时间越长，动量变化越大；力的作用时间越短，动量变化越小。分析问题时，要搞清楚哪个量一定，哪个量变化。举一反三：【变式】机动车在高速公路上行驶，车速越大时，与同车道前车保持的距离也越大。请用动量定理解释这样做的理由。 【答案】由动量定理可知，作用力相同的情况下，动量变化越大，需要的时间越长。因此，车速越大时，与同车道前车保持的距离也要越大。类型三、动量定理的基本应用例4质量为的汽车带着质量为的拖车在平直公路上以加速度匀加速前进，当速度为时拖车突然与汽车脱钩，到拖车停下瞬间司机才发现。若汽车的牵引力一直未变，车与路面的动摩擦因数为，那么拖车刚停下时，汽车的瞬时速度是多大？ 【答案】【解析】以汽车和拖车系统为研究对象，全过程系统受的合外力始终为，该过程经历时间为，末状态拖车的动量为零。全过程对系统用动量定理可得：这种方法只能用在拖车停下之前。因为拖车停下后，系统受的合外力中少了拖车受到的摩擦力，因此合外力大小不再是。举一反三：【变式1】在水平力的作用力下，质量的物体由静止开始沿水平面运动已知物体与水平面间的动摩擦因数，若作用后撤去，撤去后物体还能向前运动多长时间才停止？（取） 【解析】解法一：用牛顿定律解在有水平力作用时，物体做初速度为零的匀加速运动；撤去后，物体做匀减速运动由于撤去前后物体运动的加速度不同，所以用牛顿定律解答时必须分段研究在受作用时，物体受到重力、地面支持力、水平力和摩擦力作用如图甲， 设物体的加速度为，选的方向为正方向，根据牛顿第二定律有： ， ，根据滑动摩擦力公式有： 以上三式联立解得物体做匀加速运动的加速度为 在撤去时物体的即时速度为： 在撤去后，物体受重力、支持力和摩擦力作用（如图乙所示），设物体运动的加速度为，根据牛顿第二定律有 解得物体做匀减速运动的加速度为 设撤去后物体运动的时间为，根据运动学公式有 解法二：用动量定理解，分段处理 选物体为研究对象，对于撤去前物体做匀加速运动的过程，受力情况如图甲所示，始态速度为零，终态速度为取水平力的方向为正方向，根据动量定理有 ， 对于撤去后，物体做匀减速运动的过程，受力情况如图乙所示，始态速度为，终态速度为零根据动量定理有 以上两式联立解得 解法三：用动量定理解，研究全过程 选物体作为研究对象，研究整个运动过程，这个过程的始、终状态的物体速度都等于零 取水平力的方向为正方向，根据动量定理得 解得 【总结升华】比较上述三种解法可以看出： （1）既能用牛顿第二定律（结合运动学公式）解答，也能用动量定理解答的问题，一般来说用动量定理解比较简便 （2）当物体的运动由两个以上的物理过程组成时，灵活选取所研究的物理过程，能提高解题效率，该题解法三的整体法（全过程法）比解法二的隔离法（分段法）要简便一些【变式2】如图，两小物块被平行于斜面的轻细线相连，均静止于斜面上以平行于斜面向上的恒力拉，使同时由静止起以加速度沿斜面向上运动经时间，细线突然被拉断再经时间，上滑到最高点已知的质量分别为，细线断后拉的恒力不变，求到达最高点时的速度 【解析】本题中，由于恒力大小、斜面的倾角及与斜面间的动摩擦因数均未知，故分别对运动的每一个过程应用动量定理建立方程时有一定的困难但若以系统为研究对象，系统合外力为且注意到，细绳拉断前后，系统所受各个外力均未变化，全过程中，的动量增量为零，对系统动量的全过程，有 ，解出 故到达最高点时的速度为 【总结升华】（1）动量定理的研究对象可以是一个物体，也可以是一个系统系统所受合外力的冲量等于系统内各物体的动量增量之和（2）在系统所受外力中有较多未知因数时，应用牛顿第二定律，系统的合外力应等于系统内各物体的质量与加速度的乘积之和本题中，因加速度相同，故有类型四、求平均作用力例5.质量为的建筑工人，不慎从高空跌下，由于弹性安全带的保障，使他悬挂起来，已知弹性安全带缓冲时间为，安全带长为，则安全带所受的平均作用力。（取）【答案】。【解析】对人在全过程中（从开始跌下到安全停止），由动量定理得： 根据牛顿第三定律可知，安全带所受的平均作用力为。 【总结升华】此题也可用上面的方法分两个阶段分别研究，无论是分过程的解法还是全过程的解法，一定要注意力与时间的对应以及始末状态的确定。类型五、用动量定理求变力的冲量例6.如图所示，将一轻弹簧悬于点，下端和物体相连，物体下面用细线连接物体，、质量分别为、，若将细线剪断，待的速度为时，的速度为，方向向下，求该过程中弹簧弹力的冲量。 【思路点拨】求变力的冲量，可借助动量定理，由动量的变化量间接求出。【答案】【解析】剪断细线后，向下做自由落体运动，向上运动。对：取向上方向为正，由动量定理得对：由自由落体运动知识由、解得： = 【总结升华】求变力的冲量，不能用直接求解，可借助动量定理，由动量的变化量间接求出。类型六、用动量定理解决变质量问题例7.如图所示，水力采煤时，用水枪在高压下喷出强力水柱冲击煤层。设水柱直径为，水速为。假设水柱射在煤层的表面上，冲击煤层后水的速度变为零，求水柱对煤层的平均冲击力。（水的密度） 【思路点拨】应用动量定理分析连续体相互作用问题的方法：确定一小段时间内的连续体为研究对象；写出内的连续体的质量与的关系式；分析连续体的受力情况和动量变化；应用动量定理列式；求解。【答案】【解析】设在一小段时间内，从水枪射出的时的质量为，则 。以为研究对象，如图所示，它在时间内的动量变化 。设为水对煤层的平均作用力，即冲力；为煤层对水的反冲力，以的方向为正方向，根据动量定理（忽略水的重力），有 即 根据牛顿第三定律知式中，代入数值得。【总结升华】应用动量定理分析连续体相互作用问题的方法：（1） 确定一小段时间内的连续体为研究对象。（2） 写出内的连续体的质量与的关系式。（3） 分析连续体的受力情况和动量变化。（4） 应用动量定理列式。（5） 求解。类型七、动量定理与动量、能量的综合应用例8.一倾角为的斜面固定于地面，斜面顶端离地面的高度，斜面底端有一垂直于斜面的固定挡板。在斜面顶端自由释放一质量的小物块（视为质点）。小物块与斜面之间的动摩擦因数。当小物块与挡板碰撞后，将以原速返回。重力加速度。在小物块与挡板的前次碰撞过程中，挡板给予小物块的总冲量是多少？ 【答案】【解析】设小物块从高为h处由静止开始沿斜面向下运动，到达斜面底端时速度为v。由功能关系得 以沿斜面向上为动量的正方向。按动量定理，碰撞过程中挡板给小物块的冲量 设碰撞后小物块所能达到的最大高度为h，则 同理，有 式中，为小物块再次到达斜面底端时的速度，为再次碰撞过程中挡板给小物块的冲量。由式得 其中 由此可知，小物块前4次与挡板碰撞所获得的冲量成等比级数，首项为 总冲量为 由 得 代入数据得【总结升华】此题重难点在数学运算。核心思路是按等比数列进行运算。属要求较高题目。例9.如图所示，在同一水平面内有相互平行且足够长的两条滑轨和相距，垂直于滑轨平面竖直向上的匀强磁场的磁感应强度，垂直于滑轨放置的金属棒和质量为和，每根金属棒的电阻均为，其它电阻不计，开始时两棒都静止，且和与滑轨间的动摩擦因数分别和，求： (1)当一外力作用棒的时间,恰好使棒以的速度做匀速运动，那么外力的冲量多大？(2)若在末令棒突然停止运动，继续运动直到停止的过程中，通过其横截面的电量为，则在此过程中两根金属棒消耗的电能是多少？（设两棒不相碰，）【思路点拨】此题以双杆为载体将受力分析、动量、能量、电磁感应等相结合的综合题目，注意隐含条件。【答案】(1)； (2) 【解析】(1)棒是由于棒切割磁感线运动产生感应电动势并在闭合电路产生感受应电流后，使其受到安培力作用而做加速运动。由分析知当它匀速时受安培力和摩擦力平衡： 此时隐含也要匀速运动（设其速度为，外力的冲量为），对两棒组成的系统，由动理定理得： 但解得(2)当突然停止，中流过的感应电流方向立即反向，因而受安培力反向使做变减速运动直到停止，设滑动的距离为，由法拉第电磁感应定律得： 因流过的电量为 设两棒在该过程消耗的电能为，由能量守恒得： 解得 【总结升华】此题以双杆为载体将受力分析、动量、能量、电磁感应等综合起来，其中棒匀速隐含棒也匀速是关键，也是易错点，此类题为高考的一大趋势。举一反三：【变式】如图，在离水平地面高的地方上有一相距的光滑轨道，左端接有已充电的电容器，电容为，充电后两端电压为。轨道平面处于垂直向上的磁感应强度为的匀强磁场中。在轨道右端放一质量为的金属棒，当闭合，棒离开轨道后电容器的两极电压变为，求棒落在地面离平台多远的位置。【答案】【解析】当闭合时，电容器由于放电，形成放电电流，因而金属棒受磁场力作用做变加速运动，并以一定速度离开导轨做平抛运动，所以棒在导轨上运动时有 ，即棒做平抛运动时有： 所以