大学物理第03章_动量与角动量

1第3章动量与角动量主要内容冲量与动量定理动量守恒定律火箭飞行原理质心质心运动定理质点的角动量和角动量定理角动量守恒定律质点系的角动量定理质心参考系中的角动量23.1冲量与动量定理1.力的冲量dFt——无穷小时间间隔内的冲量冲量是反映力对时间的累积效应。作用力与作用时间的乘积。恒力的冲量：)(12ttFI变力的冲量：21d)(ttttFI单位：N·s32.质点的动量定理车辆超载容易引发交通事故车辆超速容易引发交通事故4结论：物体的运动状态不仅取决于速度，而且与物体的质量有关。动量：运动质点的质量与速度的乘积。vmp单位：kg·m·s-1由n个质点所构成的质点系的动量：nniiii1i1Ppmv5牛顿运动定律：amFdtpdtmFd)(dv动量定理的微分式：tFpdd如果力的作用时间从，质点动量从tt0pp0ttppootFpdd00dvvmmpptFItto6质点动量定理：质点在运动过程中，所受合外力的冲量等于质点动量的增量。说明：（1）冲量的方向与动量增量的方向一致。Ip动量定理中的动量和冲量都是矢量，符合矢量叠加原理。因此在计算时可采用平行四边形法则。或把动量和冲量投影在坐标轴上以分量形式进行计算。（2）7ttzozzzttyoyyyxoxttxxooommtFImmtFImmtFIvvvvvvddd平均冲力：ttotFttFd10tFttFI8结论：物体动量变化一定的情况下，作用时间越长，物体受到的平均冲力越小；反之则越大。海绵垫子可以延长运动员下落时与其接触的时间，这样就减小了地面对人的冲击力。9逆风行舟龙骨Vvvfmviupfpipf||ff10河流拐弯处的堤坝•河流拐弯处外侧的堤坝要比内侧堤坝更加坚固,这是由于内侧堤坝仅需要承受流水的静压强.而外侧堤坝,除了需要承受水的静压强外,由于河流弯曲,外侧堤坝不仅受到水流的冲击,还要承受附加的动压强.《物理学原理在工程技术中的应用》P27补充！11补充:质点系的动量定理设有n个质点构成一个系统第i个质点：外力iF内力if初速度iov末速度iv质量im由质点动量定理：ioiiittiimmtfFovvdiiFif12F1f12m1m2f21F2ioiiittiimmtfFovvd0if其中：系统总末动量：iimPv系统总初动量：ioimPv0合外力的冲量：ttitF0d13质点系的动量定理：PPPtFtti00d微分式：iPFtdd质点系统所受合外力的冲量等于系统总动量的增量。注意：系统的内力不能改变整个系统的总动量。14例1、质量m=1kg的质点从o点开始沿半径R=2m的圆周运动。以o点为自然坐标原点。已知质点的运动方程为m。试求从s到s这段时间内质点所受合外力的冲量。25.0ts21t22t解：mv2mv1o21221s211Rs222122sRs22ttsddv)(211smv)(212smv15)smkg(211vm)smkg(212vm)(12vvvmmmI)smkg(6421222221vvvmmm)(69.761smkgI22tan12vvmm44541vm2vm)(vm16例2.一颗子弹在枪筒里前进时所受的合力大小为F=400-4105t/3，子弹从枪口射出时的速率为300m/s。设子弹离开枪口处合力刚好为零。求：（1）子弹走完枪筒全长所用的时间t。（2）子弹在枪筒中所受力的冲量I。（3）子弹的质量。解：（1）031044005tFs003.010440035t（2）sN6.032104400d3104400d003.0025003.005tttttFI（3）0vmIg2kg002.03006.0vIm17例3.一根柔软链条长l,单位长度质量为λ.链条放在桌上,桌上有一小孔,链条的一端由小孔垂下,其余部份堆在桌面上小孔周围.由于某种拢动,链条因自身重量开始下落.求链条下落速度与落下距离之间的关系.解：如图在竖直向上方向建坐标Fdtygdtdp0m2ym1Nm2gm1g系统沿y方向受到合外力的冲量为Fdt,由动量定理可得:1pmvyv1()()dpdmvdyv18()ygdtdyv()dyvygdt2()()ydyvdyygdyyvdyvdt200()yyvygdyyvdyv3211()32gyyv323vgy19例4.一辆装煤车以v=3m/s的速率从煤斗下面通过,每秒钟落入车厢的煤为Δm=500kg.如果使车厢的速率保持不变,应用多大的牵引力拉车厢?vdmmFx解：以m表示时刻t煤车和已落进煤车的煤的总质量.0mvdmmvt+dt时刻水平总动量为:()mvdmvmdmv此后dt时间内又有质量为dm的煤落入车厢.取m与dm为研究的质点系,则在t时刻水平总动量为:20dt时间内水平总动量的增量为:()dpFdtmdmvmvdmv由此可得:dmFvdt31.510FN不能单纯从数学上来理解导数的形式,而是要加入物理思想!“单位时间质量变化”211.质点系的动量定理：3.2动量守恒定律00dPPtFtti0iF当时，0PP有系统所受合外力为零时，系统的总动量保持不变。常矢量iimPv条件：0iF动量守恒定律：22说明：（2）系统的总动量守恒并不意味着系统内各个质点的动量不变，而是指系统动量总和不变。（4）当外力作用远小于内力作用时，可近似认为系统的总动量守恒。如：碰撞，打击,爆炸等（5）系统内所有质点的动量都必须对同一个惯性参考系而言。（3）系统所受合外力不为零，但在某一方向上的分量为零，则在该方向上动量守恒。（6）动量守恒在微观领域仍然适用,比牛顿定律意义更为深远。（1）有内力的作用不改变系统的总动量d0iift23动量守恒的分量式：常量常量常量iziziyiyixixmPmPmPvvv动量守恒定律是物理学中最重要、最普遍的规律之一，它不仅适合宏观物体，同样也适合微观领域。24例5.宇宙飞船在宇宙尘埃中飞行，尘埃密度为。如果质量为mo的飞船以初速vo穿过尘埃，由于尘埃粘在飞船上，致使飞船速度发生变化。求飞船的速度与其在尘埃中飞行的时间的关系。（设飞船为横截面面积为S的圆柱体）解：某时刻飞船速度：v，质量：m动量守恒：000mmm尘vv质量增量：tSmddvvv00mmtSmmddd200vvvvmv25ttmSo0003ddvvvvvtmS00202)11(21vvv102000(2mStmv)vvtmSdd003vvv26例6.在水平面上有一静止的车,车长为l,质量为m0,车上有一质量为m的人站在车后端A,如图所示,设人从车的后端A跑到车的前端B,求此时车相对地面移动的距离.解：yxOBAvv0yxOBAx0000000mmmvmv00mvvm00()mdxdxm270000000xxLmdxdxm00000()mxxLm000mxLmm28例7.如图,一个1/4圆弧滑槽的大物体的质量为M,停在光滑的水平面上,另一质量为m的小物体自圆弧顶点由静止下滑.求当小物体m滑到底时,大物体M在水平面上移动的距离?解：0()xmvMVvXV系统在m下滑过程中,水平方向受合外力为零,水平方向动量守恒!yxxmvMVxmvdtMVdt00ttxmvdtMVdt29msMS由绝对位移,相对位移,牵连位移之间关系可得:sRSmSRmM思考：木块离开滑槽瞬间对它的作用力?30例8.如质量均为m的两质点A,B.由长为L的不可伸长轻绳连接,B点限制在光滑轨道内,可自由滑动,开始A静止于桌面,B静止在轨道内,AB垂直于轨道距0.5L,如A以速度v在桌面上平行于轨道方向运动,求证:当B运动时速度大小为0.43v,并求出绳受到的冲量和轨道的反作用冲量.解：(cos)BAmvmvvL300θvAA0.5LBA,B小球在水平方向受外为零,故动量守恒:31对于B,绳不可伸长,故有:对于A,仅受于绳的拉力,故与绳正交方向动量守恒!00cos30cos(30)BAvv00sin30sin(30)Amvmv37Bvv0023(cos30cos(30)7ATtmvvmv03sin307NtTtmv323.3火箭飞行原理Mvtmd)(uMMdvvd)(ttd时刻：dm相对火箭体喷射速度uMmdd33))(()(vvMMuvmMvddd))(()(vvMMuvMddd,ddMMuvfiifMMuvvlnffiMiMMMuvvvdd质点系选：(M+dM,dm)设火箭在自由空间飞行，系统动量守恒：34火箭体对喷射的气体的推力：tdddd-(MmuudMtvvmMd])d)[(即喷射的气体对火箭体的推力：tddmuF353.4质心质心：mrmmrmriiiiiiiic——第i个质点的位矢ir——质点系的总质量iimm——第i个质点的质量im质点系中一个特殊的点，位矢为36质心位置的分量式：iiicmxmxiiicmymyiiicmzmz连续体的质心位置：mmxxcddmmyycddmmzzcdd对于密度均匀，形状对称的物体，其质心都在它的几何中心。说明：37例9.一段均匀铁丝,线质量密度为λ,现将其弯成半圆形,半径为R,求此半圆形铁丝的质心.解：dldθθRydmdlcydlymsinyRdlRd20sin2cRRdRymmmR2cRy383.5质心运动定理iicmrrM质心位置公式：trmtrMiicddddiicmMvv结论：质点系的总动量等于总质量与其质心运动速度的乘积。由质点系动量定理的微分式可得：iPFtddciiMrmriimtddvcMtddv39ciaMF质心运动定理：作用于质点系上的合外力等于质点系的总质量与质心加速度的乘积。质心的两个重要性质：系统在外力作用下，质心的加速度等于外力的矢量和除以系统的总质量。（2）系统所受合外力为零时，质心的速度为一恒矢量，内力既不能改变质点系的总动量,也就不能改变质心的运动状态。（1）40例10.有质量为2m的弹丸，从地面斜抛出去，它的落地点为xc。如果它在飞行到最高点处爆炸成质量相等的两碎片。其中一碎片铅直自由下落，另一碎片水平抛出，它们同时落地。问第二块碎片落在何处。解：在爆炸的前后，质心始终只受重力的作用，因此，质心的轨迹为一抛物线，它的落地点为xc。xc212211mmxmxmxc0,121xmmmmmxxc22cxx22x2ox41例11.在水平面上有一静止的车,车长为l,质量为m0,车上有一质量为m的人站在车后端A,如图所示,设人从车的后端A跑到车的前端B,求此时车相对地面移动的距离.解：yxOBAvv0yxOBA1020Cmxmxxmmx0X`1XCCX`2X2X1x1020mxmxmm42202xxx02000020()CmLmxxmmmxmxxmm00mxLmm10xxyxOBAvv0yxOBAx0X`1XCCX`2X2X1x43例1