模型劃分
本模型主要處理關(guān)于動量守恒定理的理解與應(yīng)用技巧以及與能量守恒相結(jié)合的通常情況,不涉及具體的碰撞、子彈打鐵塊及人船模型等。
模型破解
1.動量守恒定理內(nèi)容
一個系統(tǒng)不受外力或所受外力之和為零,這個系統(tǒng)的總動量保持不變,這個推論稱作動量守恒定理。
2.動量守恒定理表達(dá)式
(1)守恒角度:作用過程中系統(tǒng)在任一時刻動量均相等p=p′
(2)變化的角度:作用前后系統(tǒng)的總動量變化為零Δp=0
(3)轉(zhuǎn)移角度:系統(tǒng)內(nèi)A物體動量的增量等于B物體動量的降低量即兩個物體的動量變化大小相等動量守恒定律,方向相反
Δp1=-Δp2
此處要注意動量變化的矢量性.在兩物體互相作用的過程中,也可能兩物體的動量都減小,也可能都減少,但其矢量和不變。
3.動量守恒定理的理解(1)條件性
動量守恒定理是自然界最普遍、最基本的規(guī)律之一。除了適用于宏觀物體的低速運(yùn)動,也適用與微觀物體的高速運(yùn)動。小到微觀粒子,大到宇宙天體,無論內(nèi)力是哪些性質(zhì)的力,只要滿足守恒條件,動量守恒定理總是適用的。應(yīng)用動量守恒定理解題時可從三種情況進(jìn)行判斷:
(i).系統(tǒng)不受外力或則所受合外力為零;
(ii).系統(tǒng)所受合外力似乎不為零,但系統(tǒng)的內(nèi)力遠(yuǎn)小于外力時,如碰撞、爆炸等現(xiàn)象中,系統(tǒng)的動量可看成近似守恒;
(iii).系統(tǒng)總的來看不符合以上條件的任意一條,則系統(tǒng)的總動量不守恒。并且若系統(tǒng)在某一方向上符合以上條件的任意一條,則系統(tǒng)在該方向上動量守恒。
例1.如圖所示,質(zhì)量分別為m和2m的A、B兩個鐵塊間用輕彈簧相連,置于光滑水平面上,A靠緊豎直墻.用水平力F將B向左壓,使彈簧被壓縮一定厚度,靜止后彈簧存儲的彈性勢能為E.這時忽然撤掉F,關(guān)于A、B和彈簧組成的系統(tǒng),下述說法正確的是()
A.撤掉F后,系統(tǒng)動量守恒,機(jī)械能守恒
B.撤掉F后,A離開豎直墻前,系統(tǒng)動量不守恒,機(jī)械能守恒
C.撤掉F后,A離開豎直墻后,彈簧的彈性勢能最大值為E
D.撤掉F后,A離開豎直墻后,彈簧的彈性勢能最大值為E/3
(2)矢量性
動量是矢量。動量守恒定理的等式是一個矢量多項式。在一維情況下,一般規(guī)定正方向后,能確定方向的數(shù)學(xué)量一律將方向表示為“+”或“-”,化學(xué)量中只代入大小:不能確定方向的數(shù)學(xué)量可以用字母表示,若估算結(jié)果為“+”,則說明其方向與規(guī)定的正方向相同,若估算結(jié)果為“-”,則說明其方向與規(guī)定的正方向相反。
例4.如圖所示,質(zhì)量為mB=2kg的鐵塊B靜止在光滑水平面上。一質(zhì)量為mA=1kg的鐵塊A以某一初速率v0=5m/s沿水平方向往右運(yùn)動,與B碰撞后都往右運(yùn)動。鐵塊B與擋板碰撞后立刻回調(diào)(設(shè)鐵塊B與擋板碰撞過程無機(jī)械能損失)。后來鐵塊B與A發(fā)生二次碰撞動量守恒定律,碰后A、B同向運(yùn)動,速率大小分別為1.2m/s、0.9m/s。求第一次鐵塊A、B碰撞過程中A對B的沖量大小和方向。
(3)相對性
物體的動量與參考系的選擇有關(guān)。一般,取地面為參考系,因而,作用前后的速率都必須相對于地面。
(4)瞬時性
動量是一個瞬時量,動量守恒定理指的是系統(tǒng)任剎那間的動量和恒定。為此,列舉的動量守恒定理表達(dá)式m1v1+m2v2+…=m1v1ˊ+m2v2ˊ+…,其中v1,v2…都是作用前同一時刻的瞬時速率,v1ˊ,v2ˊ都是作用后同一時刻的瞬時速率。只要系統(tǒng)滿足動量守恒定理的條件,在互相作用過程的任何一個頓時,系統(tǒng)的總動量都守恒。在具體問題中,可依據(jù)任何兩個頓時系統(tǒng)內(nèi)各物體的動量,列舉動量守恒表達(dá)式。
例5.質(zhì)量M的小船尾部有一質(zhì)量m的人,人和船以v往前行駛.人以相對于船的水平速率u向后跳出后,船速為多大?(5)普適性
它除了適用于兩個物體組成的系統(tǒng),也適用于多個物體組成的系統(tǒng);除了適用于宏觀物體組成的系統(tǒng),也適用于微觀粒子組成的系統(tǒng)。
例.如圖所示,鐵塊A的質(zhì)量mA=1kg,足夠長的木板B的質(zhì)量mB=4kg,質(zhì)量為mC=4kg的鐵塊C放在木板B的右端,已知水平地面光滑,B、C之間有磨擦.現(xiàn)使A以v0=12m/s的初速率往右運(yùn)動,與B碰撞后以4m/s速度彈回,求隨后的運(yùn)動過程中
①木板B的最大速度;
②木塊C的最大速度.
4.動量守恒定理的通常解題步驟
①確定研究對象(系統(tǒng)),進(jìn)行受力剖析:
②確定研究過程,進(jìn)行運(yùn)動剖析;
③判斷系統(tǒng)在所研究的過程中是否滿足動量守恒定理創(chuàng)立的條件;
④規(guī)定某個方向為正方向,剖析初末狀態(tài)系統(tǒng)的動量;
⑤根據(jù)動量守恒定理構(gòu)建多項式,并求出結(jié)果。
5.動量守恒與能量守恒的結(jié)合
在動量與能量結(jié)合的問題中,常見的情形有:一是借助在某一過程中動量或某一方向的動量守恒,同時借助此過程中系統(tǒng)的能量守恒列多項式求解;二是多階段過程中,整個過程中動量并不守恒,只在某個階段中或某個瞬時動量守恒,可借助動量守恒列多項式,而在其它階段借助能量守恒列方程,再聯(lián)立求解。
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