動量定律是力對時間的累積效應,它改變了物體的動量。 它的應用范圍很廣。 其研究對象可以是單個對象,也可以是對象系統; 它不僅適用于恒力的情況,也適用于變力的情況,特別是在解決打擊、碰撞等作用時間短、作用力大小??隨時間變化的問題時,動量定律比牛頓定理方便得多。
1.用動量定律解釋生活中的現象
【例1】垂直放置的粉筆壓在紙幣的一端。 如果要從粉筆下面拉出紙條,又要保證粉筆不掉下來,是慢慢小心地拉出紙條,還是迅速拉出紙條? 解釋為什么。
【分析】紙幣從粉筆下方拉出,粉筆受紙幣滑動摩擦力μmg影響,方向為沿紙幣拉出方向。 無論紙幣是快拉還是慢拉,粉筆在水平方向上受到的摩擦力大小都是一樣的。 在拉出紙幣的過程中,粉筆受到摩擦力的時間用t表示動量定理應用條件,摩擦力對粉筆的沖量為μmgt,粉筆處于靜止狀態,初始動量為零,且粉筆的最終動量由 mv 表示。 根據動量定律:μmgt=mv。
如果順利拉出鈔票,說明鈔票在粉筆上的作用時間比較長,粉筆受到鈔票摩擦力的動量比較大,粉筆的動量變化很大,并且粉筆的底部獲得了一定的速度。 由于慣性,粉筆的下端還沒動,粉筆就倒了。
如果在很短的時間內將紙條拉出,紙條對粉筆的摩擦沖量極小,粉筆的動量幾乎沒有變化。 粉筆的動量變化很小,粉筆幾乎不動,粉筆也不會掉下來。
2.利用動量定律解決曲線運動問題
[例2] 質量為1kg的物體以速度v0水平拋出。 如果拋出5s后沒有落地,與其他物體發生碰撞,求5s內其動量的變化。 (g=10m/s2)。
【解析】如果這道題是求最終動量,然后求它與初始動量的向量差,會異常復雜。 因為被拋平的物體只受重力,是一個恒定的力,所以動量的變化等于重力的沖量。則Δp=Ft=mgt=1×10×5=50kg·m/s。
注:①用Δp=mv-mv0求Δp時,初速度和終速度必須在同一直線上。 如果不是,就要考慮用向量定律或動量定律Δp=Ft來求解Δp。 ②用I=F·求t的沖量,F必須是恒力。 若F為變力,則必須利用動量定律I=Δp求解I。
3.利用動量定律解決撞擊碰撞問題

撞擊和碰撞過程中的相互排斥通常不是一個恒定的力。 利用動量定律,我們只能討論初末態的動量和排斥力的沖量。 為什么要討論每個時刻力的大小和加速度的大小。
【例3】蹦床是運動員在緊繃的彈性網上跳躍、翻滾和做各種空中動作的體育項目。 一名體重 60kg 的運動員從距水平網面 3.2m 的高度自由落下。 垂直方向跳回距水平網面1.8m的高度。 已知運動員與球網的接觸時間為1.4s。 嘗試找出網對運動員的平均沖擊力。 (取g=10m/s2)
【解析】通過V^2=2gh
凈小時費率的大小為
|V0|=根號(2gh0)=根號(2*10*3.2)=8m/s
以向下為正,V0=-8m/s
離網速度V=根號(2gh)=根號(2*10*5)=10m/s
F-mg=ma=m(V-Vo)/t=60*[(10-(-8)]/1.2=900
這個力的大小F=mg+ma=60*10+900=1500N
4.利用動量定律解決連續流體的作用問題

在日常生活和生產中,經常涉及到流體的連續相互作用,使用常規的分析技術很難做到。 若建立柱子微元模型,用動量定律分析求解,曲徑通幽,“柳暗花明又一村”。
【例4】一艘宇宙飛船在太空中以v=10km/s的速度飛行,突然走進一個密度為ρ=1×10-7kg/m3的微隕石塵區,假設微隕石塵與飛船相撞附在飛船上. 為保持飛船原有速度不變,應將飛船螺旋槳的推力降低多少? (已知航天器的正截面積為S=2m2)
【分析】選取在時間Δt內與航天器相撞的微隕石塵作為研究對象,其質量應等于底面積為S、高度為vΔt的垂直柱內微隕石的質量,即m=ρSvΔt,初始動量為 0,最終動量為 mv。 假設宇宙飛船對微隕石的斥力為F,由動量定律求得,則。 根據牛頓第三定理可知,微隕石對航天器的沖擊力也等于20N。 因此,飛船要保持原來的速度動量定理應用條件,勻速飛行,加速器的推力要減小20N。
5.動量定律的應用可以推廣到物體系統
雖然系統中各個物體的運動各不相同,但作用在各個物體上的沖量之和仍等于各個物體總動量的變化。
【例5】質量為M的金屬塊和質量為m的鐵塊用一根細線連接在一起。 它們從靜止開始以加速度 a 沉入水底。 時間t1后,細線斷裂,金屬塊與鐵塊分離。 時間t2后鐵塊停止下沉,此時金屬塊的速度是多少? (據了解,此時金屬塊還沒有到達底部。)
【解析】不管細線斷不斷,外力合力不變(即兩者的重力和浮力相同,細線的拉力屬于內力)
根據動量定律,合外力為(M+m)a,是常數
因此,合成外力的沖量為(M+m)a(t+t')
等于系統中各個物體動量的變化,即MV(因為鐵塊在初末狀態的動量不變),所以(M+m)a(t+t' )=MV, V=(M+m)a( t+t')/M
