碰撞與動量這部份內容對進一步學習數學學科是十分重要的,由于動量守恒定理是解決精典熱學和微觀數學問題的重要工具和技巧之一。
動量動量定律
1、動量、沖量
2、動量變化量和動量變化率
3、動量、沖量
4、應用動量定律解題的通常步驟
(1)選取研究對象,明晰運動過程
(2)受力剖析和運動的初、末狀態剖析
(3)選正方向,按照動量定律列多項式求解
動量動量定律
動量定律闡明了沖量和動量變化量之間的關系.
1.應用動量定律的兩類簡單問題
(1)應用I=Δp求變力的沖量和平均斥力.
物體遭到變力作用,不能直接用I=Ft求變力的沖量.
(2)應用Δp=Ft求恒力作用下的曲線運動中物體動量的變化.
曲線運動中,斥力是恒力,可求恒力的沖量,等效代換動量的變化量.
2.動量定律使用的注意事項
(1)用牛頓第二定理能解決的問題,用動量定律也能解決,題目不涉及加速度和位移,用動量定律求解更簡便.
(2)動量定律的表達式是矢量式,運用它剖析問題時要非常注意沖量、動量及動量變化量的方向,公式中的F是物體或系統所受的合力.
3.動量定律在電磁感應現象中的應用
在電磁感應現象中,安培力常常是變力,可用動量定律求解有關運動過程中的時間、位移、速度等化學量.
動量守恒定理
1、動量守恒定理內容
假如一個系統不受外力,或則所受外力的矢量和為零,這個系統的總動量保持不變.這就是動量守恒定理.
2、動量守恒定理表達式
(1)m1v1+m2v2=m1v′1+m2v′2,兩個物體組成系統互相作用前后,動量保持不變.
(2)Δp1=-Δp2,互相作用的兩物體組成的系統,兩物體的動量變化量大小相等、方向相反.
(3)Δp=0,系統的動量變化量為零.
3、對動量守恒定理的理解
(1)矢量性:只討論物體互相作用前后速率方向都在同一條直線上的情況,這時要選定一個正方向,用正負號表示各矢量的方向.
(2)瞬時性:動量是一個狀態量,動量守港股的是系統任剎那時的動量恒定.
(3)相對性:動量的大小與參考系的選定有關,通常以地面為參考系.
(4)普適性:①適用于兩物體系統及多物體系統;②適用于宏觀物體以及微觀物體;③適用于低速情況及高速情況.
動量守恒定理的簡單應用
1、應用動量守恒定理的條件
(1)系統不受外力或系統所受的合外力為零.
(2)系統所受的合外力不為零,比系統內力小得多.
(3)系統所受的合力不為零,在某個方向上的份量為零.
2、運用動量守恒定理解題的基本思路
(1)確定研究對象并進行受力剖析和過程剖析;
(2)確定系統動量在研究過程中是否守恒;
(3)明晰過程的初、末狀態的系統動量;
(4)選擇正方向,依據動量守恒定理列多項式.
3、動量守恒條件和機械能守恒條件的比較
(1)守恒條件不同:系統動量守恒是系統不受外力或所受外力的矢量和為零;機械能守恒的條件是只有重力或彈簧彈力做功,重力或彈簧彈力以外的其他力不做功.
(2)系統動量守恒時,機械能不一定守恒.
(3)系統機械能守恒時,動量不一定守恒.
動量定律在電磁感應中的應用
電磁感應中的動力學問題常常比較復雜,運用動量和能量的觀點可以清晰、簡潔地解決問題。明天我們重點討論動量定律在電磁感應中的應用。
如圖所示,除導體棒ab可動外,其余部份均固定不動,內阻的電阻為R,電容為C的電容器原先不帶電。設導體棒、導軌的阻值均可忽視不計,導體棒和滑軌間的磨擦也忽視不計,圖中裝置均在水平面內,且都處于方向垂直水平面(即紙面)向上的勻強磁場B中,滑軌足夠長。導體棒的質量為m,寬度為L.今給導體棒ab一個往右的初速率v0,試導數體棒ab的最終運動速率。
【解析】導體棒往右運動切割磁感線形成感應電動勢,使電容器C充電,極板間電流不斷減小。ab棒遭到向左的安培力,做減速運動,感應電動勢降低。當電容器C極板間電流與ab棒形成的感應電動勢相等時,電路中沒有電壓。ab棒不再受安培力,往右做勻速運動。
設水平往右為正方向,ab棒由剛開始運動到勻速運動所用時間為Δt.
【思考】本題由安培力的沖量可以得到通過導體橫截面的電量,在不同的實際問題中,安培力的沖量還可能和什么數學量相關呢?
【拓展】如圖所示,a、b是邊界范圍、磁感應硬度大小和方向都相同的兩個正圓形勻強磁場區域,a的上端離水平地面的高度比b高一些。甲、乙是兩個完全相同的閉合正圓形導線框,分別坐落a、b的正上方,兩線框的上端離地面的高度相同,線框的周長大于磁場的周長。兩線框由靜止同時釋放,穿過磁場后落到地面,下落過程中線框平面仍然保持與磁場方向垂直。試比較兩線框的落地時間。
【解析】兩線框從同一高度下落,先做自由落體運動,步入磁場過程中遭到重力和安培力的作用,全部步入磁場后只受重力作用,穿出磁場的過程中遭到重力和安培力的作用。乙線框步入磁場時速率較大,安培力較大,線框克服安培力做的功較多,形成的熱量較多,按照能量守恒定理,線框乙落地時速率較小。
電磁感應動量定律微元法解題基本步驟
導體棒切割磁感線發生的動生電磁感應現象中,假如涉及到電路或則動力學問題須要利用于微元法來解題,一般在估算題中使用較為頻繁。下邊通過兩個基本情境來對其中的解題方式(重點是解題基本步驟)作以總結點撥疏通。
問題情境1:
如圖,光滑的水平滑軌寬度L,質量為m的導體棒垂直于滑軌放置,右側內阻電阻為R,導體棒在電路中的有效內阻為r。磁場垂直滑軌平面,磁感應硬度為B。現給導體棒往右的初速率v,滑動一段距離其速率剛好為0.試求:
(1)這一過程中R形成的焦耳熱QR。
(2)這一過程中通過導體棒橫截面的電荷量q。
(3)導體棒在這一過程中的位移x。
剖析與解:(1)依據能量守恒定理:
設任意時刻的電壓大小為I,兩內阻的焦耳熱功率分別為PR、Pr則有此過程中電阻R的焦耳熱為:
聯立可得:
(2)、(3)電磁感應電荷量q及位移x的求解有兩種基本思路:
思路一:(電路知識)
聯立上述基本多項式可得:
思路二:(動力學技巧)
取時間微元
,對應的速率變化量
,狀態量電壓I。
動量定律:
全過程疊加運算:
即
于是
思路二:(換種角度理解)
取時間微元
,對應的速率變化量
,狀態量電壓I。
牛頓定理:
其中
代入整理:
全過程疊加運算:
即
于是
殊途同歸,介于動量列為必考,建議直接采用思路二的第一種角度即可。
思路三:(動力學技巧)
取時間微元
,對應的速率變化量
,狀態量速率v。
電動勢:
電壓:
安培力:
于是:
動量定律尋求安培力沖量:
即:
其中
于是:
全程疊加:
于是得到:
解得:
譯注:
思索小結1:
1、對上述思路得出的結果做變式思維,即可以按照推論中數學量之間的關系進行逆向思維;
2、具體問題中須要依照具體條件對上述解題過程中的化學量做適當的調整,但思維方式不變。
3、有時須要先有思路三找到x,再用思路二求解q。
4、變式:導體棒也可以是導線框動量守恒機械能守恒,按照
可知,經過相同的距離,速率變化量是相同的。于是我們可以作出v-x圖線是線性關系圖象。
問題情境2:
如圖,光滑的水平滑軌寬度L,質量為m的導體棒垂直于滑軌放置,右側內阻電阻為R動量守恒機械能守恒,導體棒在電路中的有效內阻為r。磁場垂直滑軌平面,磁感應硬度為B?,F對導體棒施加往右的恒定拉力F,導體棒經過一段時間t達到穩定狀態.試求:
(1)勻速運動速率v
(2)這一過程中通過導體棒橫截面的電荷量q。
(3)導體棒在這一過程中的位移x。
(4)這一過程中R形成的焦耳熱QR。
剖析與解:
思路一:平衡條件求穩定速率v
當導體棒穩定運動時滿足平衡條件:
其中:
聯立解得:
思路二:動量定律求q
取時間微元
,對應的速率變化量
,狀態量電壓I。
動量定律:
全程疊加運算:
其中
于是
解得:
可與思路一的結果聯立消掉v得到本題須要的q。
思路二:(換一種理解角度)
聯立上述基本多項式可得:
注:將思路中學的x代入本式即可找到最終的結果。
思路三:動量定律求x
取時間微元
,對應的位移位移
,速率變化量
,狀態量電壓I。
動量定律:
其中:
聯立可得:
全程疊加運算:
于是:
解得:
思路四:功能關系求QR
設全程中克服安培力做功W,動能定律:
功能關系:
設任意時刻的電壓大小為I,兩內阻的焦耳熱功率分別為PR、Pr則有此過程中電阻R的焦耳熱為:
聯立可得:
將思路一種得出的v代入即可求解最終結果。
譯注:
思索小結2:
1、此情境中若果有磨擦力和拉力共同作用,技巧類似僅僅是力F和磨擦力的合力相當于本題中的力F;
2、此情境倘若利用于第一種情境的條件即:導體棒以一定初速率運動,但導體棒遭到恒定的磨擦力,這么解題方式相同,不同之處是最終導體棒處于靜止狀態。注意焦耳熱與磨擦生熱是不一樣的概念;
3、對于本情景下雖然是在力F作用下一一定初速率運動,也是同樣的方式思路;
4、變式:導體棒也可以是導線框;
5、同思索小結1的最后一點。
習題化總結:
習題1:
如圖所示,固定的光滑金屬水平滑軌寬度為L,滑軌內阻不計,上端接有電阻為R的阻值,滑軌處在磁感應硬度大小為B、方向豎直向上的勻強磁場中。質量為m、電阻不計的導體棒ab,在垂直導體棒的水平恒力F作用下,由靜止開始運動,經過時間t,導體棒ab正好勻速運動,整個運動過程中導體棒一直與滑軌垂直并保持良好接觸。在這個過程中,下述說法正確的是
A.導體棒ab正好勻速運動時的速率
B.通過內阻的電荷量
C.導體棒的位移
D.內阻放出的焦耳熱
答案:ACD
習題2:
豎直向下的勻強磁場空間內有一寬度為L的足夠長的水平光滑滑軌,質量為m的金屬棒垂直滑軌放置且與滑軌接觸良好,以初速率v0沿軌道往右運動。已知整個過程金屬棒的位移為s,若金屬棒在滑軌間部份和定值內阻的電阻均為R,滑軌內阻不計,則下述說法正確的是
A.N點電勢高于M點電勢
B.運動過程中速率降低得越來越慢直到停止
C.整個過程中通過定值內阻的電荷量為
D.整個過程中電阻R上形成的焦耳熱為
答案:ABD