動量、沖量和動量定律
(一)動量
1、動量:運動物體的質量和速率的乘積稱作動量。是矢量,方向與速率方向相同;動量的合成與分解,按平行四邊形法則、三角形法則。是狀態量;一般說物體的動量是指運動物體某一時刻的動量,估算物體此時的動量應取這一時刻的瞬時速率。是相對量;物體的動量亦與參照物的選定有關,一般情況下,指相對地面的動量。單位是kg·m/s;
2、動量和動能的區別和聯系
①動量的大小與速率大小成反比,動能的大小與速率的大小平方成反比。即動量相同而質量不同的物體,其動能不同;動能相同而質量不同的物體其動量不同。
②動量是矢量,而動能是標量。為此,物體的動量變化時,其動能不一定變化;而物體的動能變化時,其動量一定變化。
③因動量是矢量,故導致動量變化的誘因也是矢量,即物體遭到外力的沖量;動能是標量,導致動能變化的誘因亦是標量,即外力對物體做功。
④動量和動能都與物體的質量和速率有關,二者從不同的角度描述了運動物體的特點,且兩者大小間存在關系式:P2=2mEk
3、動量的變化及其估算方式
動量的變化是指物體末態的動量除以初態的動量,是矢量,對應于某一過程(或某一段時間),是一個十分重要的數學量,其估算方式:
(1)ΔP=Pt-P0,主要估算P0、Pt在一條直線上的情況。
(2)借助動量定律ΔP=F·t,一般拿來解決P0、Pt;不在一條直線上或F為恒力的情況。
(二)沖量
1、沖量:力和力的作用時間的乘積稱作該力的沖量。是矢量,假如在力的作用時間內,力的方向不變,則力的方向就是沖量的方向;沖量的合成與分解,按平行四邊形法則與三角形法則。沖量除了由力決定,還由力的作用時間決定。而力和時間都跟參照物的選擇無關,所以力的沖量也與參照物的選擇無關。單位是N·s;
2、沖量的估算方式
(1)I=F·t。采用定義式直接估算、主要解決恒力的沖量估算問題。
(2)借助動量定律Ft=ΔP。主要解決變力的沖量估算問題,但要注意上式中F為合外力(或某一方向上的合外力)。
(三)動量定律
1、動量定律:物體遭到合外力的沖量等于物體動量的變化。Ft=mv'-mv或Ft=p'-p;該定理由牛頓第二定理推論下來:(質點m在短時間Δt內受合力為F合,合力的沖量是F合Δt;質點的初、末動量是mv0、mvt,動量的變化量是ΔP=Δ(mv)=mvt-mv0。依據動量定律得:F合=Δ(mv)/Δt
2、單位:牛·秒與千克米/秒統一:l千克米/秒=1千克米/秒2·秒=?!っ?;
3、理解:(1)上式中F為研究對象所受的包括重力在內的所有外力的合力。
(2)動量定律中的沖量和動量都是矢量。定律的表達式為一矢量式,等號的兩側不但大小相同,但是方向相同,在小學階段,動量定律的應用只限于一維的情況。這時可規定一個正方向,注意力和速率的正負,這樣就把大量運算轉化為代數運算。
(3)動量定律的研究對象通常是單個質點。求變力的沖量時,可利用動量定律求動量定理的速度有方向嘛,不可直接用沖量定義式。
4、應用動量定律的思路:
(1)明晰研究對象和受力的時間(明晰質量m和時間t);
(2)剖析對象受力和對象初、末速率(明晰沖量I合,和初、未動量P0,Pt);
(3)規定正方向,目的是將矢量運算轉化為代數運算;
(4)依據動量定律列多項式
(5)解多項式。
(四)動量定律應用的注意事項
1、動量定律的研究對象是單個物體或可看作單個物體的系統,當研究對象為物體系時,物體系的總動量的增量等于相應時間內物體系所受外力的合力的沖量,所謂物體系總動量的增量是指系統內各個物體動量變化量的矢量和。而物體系所受的合外力的沖量是指系統內各個物體所受的一切外力的沖量的矢量和。
2、動量定律公式中的F是研究對象所受的包括重力在內的所有外力的合力。它可以是恒力,也可以是變力。當合外力為變力時F則是合外力對作用時間的平均值。
3、動量定律公式中的Δ(mv)是研究對象的動量的增量,是過程終態的動量除以過程始態的動量(要考慮方向),切不能顛倒始、終態的次序。
4、動量定律公式中的等號表明合外力的沖量與研究對象的動量增量的數值相等,方向一致,單位相同。但考生不能覺得合外力的沖量就是動量的增量,合外力的沖量是造成研究對象運動改變的內因,而動量的增量卻是研究對象受外部沖量作用后的必然結果。
5、用動量定律解題,只能選定月球或相對月球做勻速直線運動的物體做參照物。忽略沖量和動量的方向性,導致I與P正負取值的混亂,或忽略動量的相對性,選定相對月球做變速運動的物體做參照物,是解題錯誤的常見情況。
動量守恒定理
(一)動量守恒定理
1、內容:互相作用的物體,假若不受外力或所受外力的合力為零,它們的總動量保持不變,即作用前的總動量與作用后的總動量相等。
2、動量守恒定理適用的條件
①系統不受外力或所受合外力為零。
②當內力遠小于外力時。
③某一方向不受外力或所受合外力為零,或該方向上內力遠小于外力時,該方向的動量守恒。
3、常見的表達式
①p'=p,其中p'、p分別表示系統的末動量和初動量,表示系統作用前的總動量等于作用后的總動量。
②Δp=0,表示系統總動量的增量等于零。
③Δp1=-Δp2,其中Δp1、Δp2分別表示系統內兩個物體初、末動量的變化量,表示兩個物體組成的系統,各自動量的增量大小相等、方向相反。
其中①的方式最常見,具體來說有以下幾種方式
A、m1vl+m2v2=m1v'l+m2v'2,各個動量必須相對同一個參照物動量定理的速度有方向嘛,適用于作用前后都運動的兩個物體組成的系統。
B、0=m1vl+m2v2,適用于原先靜止的兩個物體組成的系統。
C、m1vl+m2v2=(m1+m2)v,適用于兩物體作用后結合在一起或具有共同的速率的系統。
(二)動量守恒定理的理解
(1)動量守恒定理是說系統內部物體間的互相作用只能改變每位物體的動量,而不能改變系統的總動量,在系統運動變化過程中的任一時刻,單個物體的動量可以不同,但系統的總動量相同。
(2)應用此定理時我們應當選擇地面或相對地面靜止或勻速直線運動的物體做參照物,不能選擇相對地面作加速運動的物體為參照物。
(3)動量是矢量,系統的總動量不變是說系統內各個物體的動量的矢量和不變。等號的涵義是說等號的兩側不但大小相同,但是方向相同。