高中物理竞赛讲座讲稿：第四部分《动量和能量》

第四部分动量和能量第一讲基本知识介绍一、冲量和动量1、冲力（F—t图象特征）→冲量。冲量定义、物理意义冲量在F—t图象中的意义→从定义角度求变力冲量（F对t的平均作用力）2、动量的定义动量矢量性与运算二、动量定理1、定理的基本形式与表达2、分方向的表达式：ΣIx=ΔPx，ΣIy=ΔPy…3、定理推论：动量变化率等于物体所受的合外力。即tP=ΣF外三、动量守恒定律1、定律、矢量性2、条件a、原始条件与等效b、近似条件c、某个方向上满足a或b，可在此方向应用动量守恒定律四、功和能1、功的定义、标量性，功在F—S图象中的意义2、功率，定义求法和推论求法3、能的概念、能的转化和守恒定律4、功的求法a、恒力的功：W=FScosα=FSF=FSSb、变力的功：基本原则——过程分割与代数累积；利用F—S图象（或先寻求F对S的平均作用力）c、解决功的“疑难杂症”时，把握“功是能量转化的量度”这一要点五、动能、动能定理1、动能（平动动能）2、动能定理a、ΣW的两种理解b、动能定理的广泛适用性六、机械能守恒1、势能a、保守力与耗散力（非保守力）→势能（定义：ΔEp=－W保）b、力学领域的三种势能（重力势能、引力势能、弹性势能）及定量表达2、机械能3、机械能守恒定律a、定律内容b、条件与拓展条件（注意系统划分）c、功能原理：系统机械能的增量等于外力与耗散内力做功的代数和。七、碰撞与恢复系数1、碰撞的概念、分类（按碰撞方向分类、按碰撞过程机械能损失分类）碰撞的基本特征：a、动量守恒；b、位置不超越；c、动能不膨胀。2、三种典型的碰撞a、弹性碰撞：碰撞全程完全没有机械能损失。满足——m1v10+m2v20=m1v1+m2v221m1210v+21m2220v=21m121v+21m222v解以上两式（注意技巧和“不合题意”解的舍弃）可得：v1=21201021mmv2v)mm(，v2=12102012mmv2v)mm(对于结果的讨论：①当m1=m2时，v1=v20，v2=v10，称为“交换速度”；②当m1＜＜m2，且v20=0时，v1≈－v10，v2≈0，小物碰大物，原速率返回；③当m1＞＞m2，且v20=0时，v1≈v10，v2≈2v10，b、非（完全）弹性碰撞：机械能有损失（机械能损失的内部机制简介），只满足动量守恒定律c、完全非弹性碰撞：机械能的损失达到最大限度；外部特征：碰撞后两物体连为一个整体，故有v1=v2=21202101mmvmvm3、恢复系数：碰后分离速度（v2－v1）与碰前接近速度（v10－v20）的比值，即：e=201012vvvv。根据“碰撞的基本特征”，0≤e≤1。当e=0，碰撞为完全非弹性；当0＜e＜1，碰撞为非弹性；当e=1，碰撞为弹性。八、“广义碰撞”——物体的相互作用1、当物体之间的相互作用时间不是很短，作用不是很强烈，但系统动量仍然守恒时，碰撞的部分规律仍然适用，但已不符合“碰撞的基本特征”（如：位置可能超越、机械能可能膨胀）。此时，碰撞中“不合题意”的解可能已经有意义，如弹性碰撞中v1=v10，v2=v20的解。2、物体之间有相对滑动时，机械能损失的重要定势：－ΔE=ΔE内=f滑·S相，其中S相指相对路程。第二讲重要模型与专题一、动量定理还是动能定理？物理情形：太空飞船在宇宙飞行时，和其它天体的万有引力可以忽略，但是，飞船会定时遇到太空垃圾的碰撞而受到阻碍作用。设单位体积的太空均匀分布垃圾n颗，每颗的平均质量为m，垃圾的运行速度可以忽略。飞船维持恒定的速率v飞行，垂直速度方向的横截面积为S，与太空垃圾的碰撞后，将垃圾完全粘附住。试求飞船引擎所应提供的平均推力F。模型分析：太空垃圾的分布并不是连续的，对飞船的撞击也不连续，如何正确选取研究对象，是本题的前提。建议充分理解“平均”的含义，这样才能相对模糊地处理垃圾与飞船的作用过程、淡化“作用时间”和所考查的“物理过程时间”的差异。物理过程需要人为截取，对象是太空垃圾。先用动量定理推论解题。取一段时间Δt，在这段时间内，飞船要穿过体积ΔV=S·vΔt的空间，遭遇nΔV颗太空垃圾，使它们获得动量ΔP，其动量变化率即是飞船应给予那部分垃圾的推力，也即飞船引擎的推力。F=tP=tvM=tvVnm=tvtnSvm=nmSv2如果用动能定理，能不能解题呢？同样针对上面的物理过程，由于飞船要前进x=vΔt的位移，引擎推力F须做功W=Fx，它对应飞船和被粘附的垃圾的动能增量，而飞船的ΔEk为零，所以：W=21ΔMv2即：FvΔt=21（nmS·vΔt）v2得到：F=21nmSv2两个结果不一致，不可能都是正确的。分析动能定理的解题，我们不能发现，垃圾与飞船的碰撞是完全非弹性的，需要消耗大量的机械能，因此，认为“引擎做功就等于垃圾动能增加”的观点是错误的。但在动量定理的解题中，由于I=Ft，由此推出的F=tP必然是飞船对垃圾的平均推力，再对飞船用平衡条件，F的大小就是引擎推力大小了。这个解没有毛病可挑，是正确的。（学生活动）思考：如图1所示，全长L、总质量为M的柔软绳子，盘在一根光滑的直杆上，现用手握住绳子的一端，以恒定的水平速度v将绳子拉直。忽略地面阻力，试求手的拉力F。解：解题思路和上面完全相同。答：LMv2二、动量定理的分方向应用物理情形：三个质点A、B和C，质量分别为m1、m2和m3，用拉直且不可伸长的绳子AB和BC相连，静止在水平面上，如图2所示，AB和BC之间的夹角为（π－α）。现对质点C施加以冲量I，方向沿BC，试求质点A开始运动的速度。模型分析：首先，注意“开始运动”的理解，它指绳子恰被拉直，有作用力和冲量产生，但是绳子的方位尚未发生变化。其二，对三个质点均可用动量定理，但是，B质点受冲量不在一条直线上，故最为复杂，可采用分方向的形式表达。其三，由于两段绳子不可伸长，故三质点的瞬时速度可以寻求到两个约束关系。下面具体看解题过程——绳拉直瞬间，AB绳对A、B两质点的冲量大小相等（方向相反），设为I1，BC绳对B、C两质点的冲量大小相等（方向相反），设为I2；设A获得速度v1（由于A受合冲量只有I1,方向沿AB，故v1的反向沿AB），设B获得速度v2（由于B受合冲量为1I+2I，矢量和既不沿AB，也不沿BC方向，可设v2与AB绳夹角为〈π－β〉，如图3所示），设C获得速度v3（合冲量I+2I沿BC方向，故v3沿BC方向）。对A用动量定理，有：I1=m1v1①B的动量定理是一个矢量方程：1I+2I=m22v，可化为两个分方向的标量式，即：I2cosα－I1=m2v2cosβ②I2sinα=m2v2sinβ③质点C的动量定理方程为：I－I2=m3v3④AB绳不可伸长，必有v1=v2cosβ⑤BC绳不可伸长，必有v2cos(β－α)=v3⑥六个方程解六个未知量（I1、I2、v1、v2、v3、β）是可能的，但繁复程度非同一般。解方程要注意条理性，否则易造成混乱。建议采取如下步骤——1、先用⑤⑥式消掉v2、v3，使六个一级式变成四个二级式：I1=m1v1⑴I2cosα－I1=m2v1⑵I2sinα=m2v1tgβ⑶I－I2=m3v1(cosα+sinαtgβ)⑷2、解⑶⑷式消掉β，使四个二级式变成三个三级式：I1=m1v1㈠I2cosα－I1=m2v1㈡I=m3v1cosα+I22232msinmm㈢3、最后对㈠㈡㈢式消I1、I2，解v1就方便多了。结果为：v1=23132122sinmm)mmm(mcosIm（学生活动：训练解方程的条理和耐心）思考：v2的方位角β等于多少？解：解“二级式”的⑴⑵⑶即可。⑴代入⑵消I1，得I2的表达式，将I2的表达式代入⑶就行了。答：β=arctg（tgmmm221）。三、动量守恒中的相对运动问题物理情形：在光滑的水平地面上，有一辆车，车内有一个人和N个铅球，系统原来处于静止状态。现车内的人以一定的水平速度将铅球一个一个地向车外抛出，车子和人将获得反冲速度。第一过程，保持每次相对地面抛球速率均为v，直到将球抛完；第二过程，保持每次相对车子抛球速率均为v，直到将球抛完。试问：哪一过程使车子获得的速度更大？模型分析：动量守恒定律必须选取研究对象之外的第三方（或第四、第五方）为参照物，这意味着，本问题不能选车子为参照。一般选地面为参照系，这样对“第二过程”的铅球动量表达，就形成了难点，必须引进相对速度与绝对速度的关系。至于“第一过程”，比较简单：N次抛球和将N个球一次性抛出是完全等效的。设车和人的质量为M，每个铅球的质量为m。由于矢量的方向落在一条直线上，可以假定一个正方向后，将矢量运算化为代数运算。设车速方向为正，且第一过程获得的速度大小为V1第二过程获得的速度大小为V2。第一过程，由于铅球每次的动量都相同，可将多次抛球看成一次抛出。车子、人和N个球动量守恒。0=Nm(-v)+MV1得：V1=MNmv①第二过程，必须逐次考查铅球与车子（人）的作用。第一个球与（N–1）个球、人、车系统作用，完毕后，设“系统”速度为u1。值得注意的是，根据运动合成法则地车车球地球vvv，铅球对地的速度并不是（-v），而是（-v+u1）。它们动量守恒方程为：0=m(-v+u1)+〔M+(N-1)m〕u1得：u1=vNmMm第二个球与（N-2）个球、人、车系统作用，完毕后，设“系统”速度为u2。它们动量守恒方程为：〔M+(N-1)m〕u1=m(-v+u2)+〔M+(N-2)m〕u2得：u2=vNmMm+vm)1N(Mm第三个球与（N-2）个球、人、车系统作用，完毕后，设“系统”速度为u3。铅球对地的速度是（-v+u3）。它们动量守恒方程为：〔M+(N-2)m〕u2=m(-v+u3)+〔M+(N-3)m〕u3得：u3=vNmMm+vm)1N(Mm+vm)2N(Mm以此类推（过程注意：先找uN和uN-1关系，再看uN和v的关系，不要急于化简通分）……，uN的通式已经可以找出：V2=uN=vNmMm+vm)1N(Mm+vm)2N(Mm+…+vmMm即：V2=N1ivimMm②我们再将①式改写成：V1=N1ivMm①′不难发现，①′式和②式都有N项，每项的分子都相同，但①′式中每项的分母都比②式中的分母小，所以有：V1＞V2。结论：第一过程使车子获得的速度较大。（学生活动）思考：质量为M的车上，有n个质量均为m的人，它们静止在光滑的水平地面上。现在车上的人以相对车大小恒为v、方向水平向后的初速往车下跳。第一过程，N个人同时跳下；第二过程，N个人依次跳下。试问：哪一次车子获得的速度较大？解：第二过程结论和上面的模型完全相同，第一过程结论为V1=n1ivnmMm。答：第二过程获得速度大。四、反冲运动中的一个重要定式物理情形：如图4所示，长度为L、质量为M的船停止在静水中（但未抛锚），船头上有一个质量为m的人，也是静止的。现在令人在船上开始向船尾走动，忽略水的阻力，试问：当人走到船尾时，船将会移动多远？（学生活动）思考：人可不可能匀速（或匀加速）走动？当人中途停下休息，船有速度吗？人的全程位移大小是L吗？本系统选船为参照，动量守恒吗？模型分析：动量守恒展示了已知质量情况下的速度关系，要过渡到位移关系，需要引进运动学的相关规律。根据实际情况（人必须停在船尾），人的运动不可能是匀速的，也不可能是匀加速的,运动学的规律应选择S=vt。为寻求时间t，则要抓人和船的位移约束关系。对人、船系统，针对“开始走动→中间任意时刻”过程，应用动量守恒（设末态人的速率为v，船的速率为V），令指向船头方向为正向，则矢量关系可以化为代数运算，有：0=MV+m(-v)即：mv=MV由于过程的末态是任意选取的，此式展示了人和船在任一时刻的瞬时速度大小关系。而且不难推知，对中间的任一过程，两者的平均速度也有这种关系。即：mv=MV①设全程的时间为t，乘入①式两边，得：mvt=MVt设s和S分别为人和船的全程位移大小，根据平均速度公式，得：ms=MS②受船长L的约