湖南省长沙大学附属中学人教版高中选修3-5物理课件：16.3动量守恒定律1 人教版

16.3动量守恒定律主讲人：刘文姬一、系统、内力和外力请阅读教材P12的系统、内力和外力，回答什么是系统？什么是内力和外力？并以上节课的碰撞为例分析哪些力是内力，哪些时外力？1.系统：存在相互作用的几个物体所组成的整体称为系统，系统可按解决问题的需要灵活选取。2.内力：系统内各个物体间相互用力称为内力。3.外力：系统外其他物体作用在系统内任何一个物体上的力称为外力。内力和外力的区分依赖于系统的选取，只有在确定了系统后，才能确定内力和外力。问题：如图所示，在水平面上做匀速运动的两个小球，质量分别为m1和m2，沿同一直线向相同的方向运动，速度分别为v1和v2，v2v1。当第二个小球追上第一个小球时两球碰撞。碰撞后的速度分别为v1′和v2′。碰撞过程第一个小球所受第二个球对它的作用力是F1，第二个球所受第一个球对它的作用力是F2，试用牛顿定律分析碰撞过程。二、动量守恒定律m2m1v2v1F1m2F2m1v’2v’12211amam2211amam22112211vmvmvmvm1.推导过程：根据牛顿第二定律，碰撞过程中1、2两球的加速度分别是根据牛顿第三定律，F1、F2等大反向，即F1=-F2所以碰撞时两球间的作用时间极短，用△t表示，则有，代入并整理得这就是动量守恒定律的表达式。111mFa222mFatvva111tvva222，常见的形式，对由A、B两物体组成的系统有：BBAABBAAvmvmvmvm定律的表达式是矢量式，解题时选取正方向后用正、负来表示方向，将矢量运算变为代数运算。2.内容：相互作用的几个物体组成的系统，如果不受外力作用，或它们受到的外力之和为零，则系统的总动量保持不变。这个结论叫做动量守恒定律。二、动量守恒定律3.数学表达式：pp21pp或4.动量守恒定律的适用条件内力不改变系统的总动量，外力才能改变系统的总动量，在下列三种情况下，可以使用动量守恒定律：（1）系统不受外力或所受外力的矢量和为零。（2）系统所受外力远小于内力，如碰撞或爆炸瞬间，外力可以忽略不计。（3）系统某一方向不受外力或所受外力的矢量和为零，或外力远小于内力，则该方向动量守恒（分动量守恒）。例如：如下图所示，斜面体A的质量为M，把它置于光滑的水平面上，一质量为m的滑块B从斜面体A的顶部由静止滑下，与斜面体分离后以速度v在光滑的水平面上运动，在这一现象中，物块B沿斜面体A下滑时，A与B间的作用力(弹力和可能的摩擦力)都是内力，这些力不予考虑。但物块B还受到重力作用，这个力是A、B系统以外的物体的作用，是外力；物体A也受到重力和水平面的支持力作用，这两个力也不平衡(A受到重力、水平面支持力和B对它的弹力在竖直方向平衡)，故系统的合外力不为零。但系统在水平方向没有受到外力作用，因而在水平方向可应用动量守恒，当滑块在水平地面上向左运动时，斜面体将会向右运动，而且它们运动时的动量大小相等、方向相反，其总动量还是零。（注重动量守恒定律与机械能守恒定律适用条件的区别）思考与讨论如图所示，子弹打进与固定于墙壁的弹簧相连的木块，此系统从子弹开始入射木块时到弹簧压缩到最短的总个过程中，子弹与木块作为一个系统动量是否守恒？说明理由。⑷应用时需注意区分内力和外力，内力不改变系统的总动量，外力才能改变系统的总动量。5.注意点：⑴矢量性：动量守恒方程是一个矢量方程。对于作用前后物体的运动方向都在同一直线上的问题，应选取统一的正方向，凡是与正方向相同的动量为正，相反的为负。若方向未知，可设为与正方向相同列动量守恒方程，通过解得结果的正负，判断未知量的方向。⑵瞬时性：动量是个瞬时量，动量守恒是指系统任意两个时刻的动量恒定，列方程时要注意等式两边分别为作用前某一时刻各个物体动量的矢量和和作用后某一时刻各物体动量的矢量和，不同时刻的动量不能相加。⑶同一性：由于动量的大小与参考系的选择有关，因此应用动量守恒定律时，应注意各物体的速度必须是相对同一参考系的速度，一般以地面为参考系。三、动量守恒定律解题的一般步骤：(1)明确题意，明确研究对象；(2)受力分析，判断是否守恒；(3)确定动量守恒系统的作用前总动量和作用后总动量；(4)选定正方向根据动量守恒定律列出方程；(5)解方程，得出结论。四、动量守恒定律的普适性阅读“动量守恒定律的普适性”，并找出动量守恒定律与牛顿运动定律的区别和联系。1.动量守恒定律是由牛顿第二、第三定律导出的，两者关系密切，在经典力学中都占有及其重要的地位。牛顿运动定律从“力”的角度反映物体间的相互作用；动量守恒定律从“动量”的角度描述物体间的相互作用。2.动量守恒定律是实验定律，它的结论完全由实验决定。虽然它可有牛顿运动定律推导出来，但它并不依赖牛顿运动定律。3.用牛顿运动定律解决问题要涉及总个过程的力，有时候解决起来比较复杂，而动量守恒定律只涉及过程始末两个状态，与过程力的细节无关，能是问题大大简化。4.动量守恒定律比牛顿定律更普遍，它适用目前为止的物理学研究的一切领域，即不仅适用于宏观、低速领域，而且适用于微观、高速领域。例1.在列车编组站里，一辆质量m1=1.8×104kg货车在平直轨道上以v1=2m/s的速度运动，碰上一辆m2=2.2×104kg的静止的货车，它们碰撞后结合在一起继续运动。求货车碰撞后运动的速度。例2.在光滑水平面上A、B两小车中间有一弹簧，如图所示。用手抓住小车并将弹簧压缩后使小车处于静止状态。将两小车及弹簧看做一个系统，下列说法中正确的是()A.两手同时放开后，系统总动量始终为零B.先放开左手，再放开右手后，动量不守恒C.先放开左手，再放开右手后，总动量向左D.无论何时放手，两手放开后，在弹簧恢复原长的过程中，系统总动量都保持不变,但系统的总动量不一定为零ACD练习1.关系系统动量守恒的条件，下列说法正确的是（）A.只要系统内存在摩擦力，系统动量就不可能守恒B.只要系统中有一个物体具有加速度，系统动量就不守恒C.只要系统所受的合外力为零，系统动量就守恒D.系统中所有物体的加速度为零时，系统的总动量不一定守恒C练习2.质量为m的物体在某一高度处由静止自由下落，与地面相碰后又被弹起来，已知物体的质量为0.2kg，开始下落时高度为5m，弹起的最大高度为0.8m，重力加速度g取10m/s2，取向下为正方向，则下列说法正确的是（）A.物体与地面相碰时的动量变化为2.8kg·m/sB.物体与地面相碰时的动量变化为﹣2.8kg·m/sC.物体与地球组成的系统，在物体与地球相碰过程中总动量守恒D.物体与地球组成的系统，在物体下落至弹起的过程中总动量守恒BCD练习3.质量为M的金属球，和质量为m的木球用细线系在一起，以速度v在水中匀速下沉，某一时刻细线断了，则当木块停止下沉的时刻，铁块下沉的速率为多少？（水足够深，水的阻力不计）vv’vMmMvvMvmM)(系统外力之和总为零，系统动量守恒：（取初速度方向为正向）2.爆炸过程初状态是指炸弹将要爆炸前瞬间的状态，末状态是指爆炸力刚停止作用时的状态，只要抓住过程的初末状态，即可根据动量守恒定律列式求解。五、关于爆炸问题1.爆炸问题的特点最简单的爆炸问题是质量为M的物体，炸裂成两块，这样我们就可以认为未炸裂前是由质量为m和(M-m)的两块组成。爆炸过程时间短，爆炸力很大，炸裂的两块间的内力远大于它们所受的重力，所以可认为爆炸前后系统的动量守恒。分析：炸裂前，可以认为导弹是由质量为m1和(m-m1)的两部分组成，导弹的炸裂过程可以看做这两部分相互作用的过程。这两部分组成的系统是我们的研究对象。在炸裂过程中，炸裂成的两部分都受到重力的作用，所受外力的矢量和不为零，但是它们所受的重力远小于爆炸时燃气对它们的作用力，所以爆炸过程中重力的作用可以忽略，可以认为系统满足动量守恒定律的条件。例3.一枚在空中飞行的导弹，质量为m，在某点的速度为v，方向水平。导弹在该点突然炸裂成两块(如图)，其中质量为m1的一块沿着与v相反的方向飞去，速度为v1。求炸裂后另一块的速度v2。若沿炸裂前速度v的方向建立坐标轴，v为正值；v1与v的方向相反，v1为负值。此外，一定有m一m10。于是，由上式可知，v2应为正值。这表示质量为(m一m1)的那部分沿着与坐标轴相同的方向飞去。这个结论容易理解。炸裂的一部分沿着相反的方向飞去，另一部分不会也沿着相反的方向飞去，假如这样，炸裂后的总动量将与炸裂前的总动量方向相反，动量就不守恒了。解：导弹炸裂前的总动量为p=mv炸裂后的总动量为p′=m1v1+(m-m1)v2根据动量守恒定律p′=p，可得m1v1+(m-m1)v2=mv解出v2=(mv-m1v1)/(m-m1)60。v1v2v’系统水平方向不受外力，水平方向动量守恒：（取v2方向为正向）vmMMvmv)(60cos12)(2212MmMvmvv六、分方向动量守恒问题例4.一辆质量为M的小车以速率v1在光滑的水平面上运动时，恰遇一质量为m，速率为v2物体以俯角600。的速度方向落在车上并陷于车里的砂中，求此后车的速度。七、多个物体组成的系统问题例5.物体A、B紧靠并列放在光滑水平面上，mA=500g，mB=400g，另有一质量为mC=100g的物体C以10m/s的水平初速度擦着A、B表面经过，在摩擦力的作用下A、B物体也运动起来，最后C物体在B上与B一起以1.5m/s的速度运动，则C离开A物体时，A、C的速度各为多少？vmmvmvmCBAAC)(0smmvmmvmvACBCA/5.0)(0CCABACvmvmmvm)(0smmvmmvmvCABACCC/5.5)(设A的速度为vA当C越过A进入B时，AB的速度的速度相等，而且是v=0.5m/s。八、牛顿运动定律与动量守恒定律的解题比较例6.如图所示，质量mB=1kg的平板小车B在光滑水平面上以v1=1m/s的速度向左匀速运动．当t=0时，质量mA=2kg的小铁块A以v2=2m/s的速度水平向右滑上小车，A与小车间的动摩擦因数为μ=0.2。若A最终没有滑出小车，取水平向右为正方向，g＝10m/s2。求：A在小车上停止运动时，小车的速度大小（试用动量守恒定律与牛顿运动定律两种方法解题）。ga2方法二:用牛顿运动定律设小车做匀变速运动的加速度为a1，运动时间为t小铁块做匀变速运动的加速度为a2，运动时间为t由牛顿运动定律得：BAmgma1解析：方法一：用动量守恒定律A在小车上停止运动时，A、B以共同速度运动，设其速度为v，取水平向右为正方向，由动量守恒定律得：mAv2-mBv1=(mA+mB)v解得，v=1m/s所以v1+a1t=v2-a2t解得：t＝0.5s则得：v=v1-a1t=-1+4×0.5=1m/s练习4.某炮车的质量为M，炮弹的质量为m，炮弹射出炮口时相对于地面的速度为v，设炮车最初静止在地面上，若不计地面对炮车的摩擦力，炮车水平发射炮弹时炮车的速率为。若炮身的仰角为α，则炮身后退的速率为。解：将炮弹和炮身看成一个系统，在水平方向不受外力的作用，水平方向动量守恒。所以：0=mv-MV1∴V1=mv/M0=mvcosθ-MV2∴V2=mvcosθ/M练习5.质量m1=10g的小球在光滑水平面上以V1=30cm/s的速率向右运动，恰遇上质量m2=50g的小球以V2=10cm/s的速率向左运动，碰撞后小球m2恰好静止，那么碰撞后小球m1的速度大小是多大？方向如何？解：以水平向右方向为正方向V1=30cm/s，V2=-10cm/s，V2′=0根据动量守恒定律：m1V1+m2V2=m1V1′+m2V2′解得：V1′=-20cm/s