2019-2020学年高中物理 第1章 动量守恒研究 第2节 动量守恒定律课件 鲁科版选修3-5

第1章动量守恒研究第2节动量守恒定律第1章动量守恒研究1．知道牛顿运动定律和动量守恒定律的关系，能用牛顿运动定律推导动量守恒定律．2．理解动量守恒定律的确切含义和表达式．(重点＋难点)3．知道什么是反冲运动，了解它在实际中的简单应用．(重点)4．了解火箭的飞行原理和主要用途．一、动量守恒吗1．动量守恒定律：一个系统不受______或者所受________为零，这个系统的总动量保持不变．2．表达式(1)物体m1、m2相互作用前的速度为v1、v2，相互作用后的速度为v1′、v2′，则可表示为：________________________．外力合外力m1v1＋m2v2＝m1v1′＋m2v2′(2)物体m1、m2相互作用前的动量为p1、p2，相互作用后的动量为p1′、p2′，则可表示为：______________________．(3)物体m1、m2相互作用后动量的变化分别为Δp1和Δp2，则可表示为：__________________或____________________．3．适用范围：动量守恒定律是自然界普遍适用的基本规律之一，不仅适用于低速、宏观物体的运动，而且适用于______、______物体的运动．p1＋p2＝p1′＋p2′Δp1＝－Δp2Δp1＋Δp2＝0微观高速1．(1)一个系统初、末状态动量大小相等，即动量守恒．()(2)两个做匀速直线运动的物体发生碰撞，两个物体组成的系统动量守恒．()(3)系统动量守恒也就是系统的动量变化量为零．()×√√二、动量守恒定律的推导设两质点质量分别为m1、m2，F1与F2表示两质点间相互作用力，两质点的加速度分别为a1、a2，初速度分别为v1、v2，末速度分别为v1′、v2′，相互作用时间为t，则对m1，由动量定理得F1t＝______________________，对m2，由动量定理得F2t＝m2v2′－m2v2，据牛顿第三定律：______________，m1v1′－m1v1F2＝－F1所以F2t＝__________，所以m2v2′－m2v2＝－(m1v1′－m1v1)，整理得：m1v1＋m2v2＝______________________．此式表明质点在相互作用前的________等于相互作用后的________，这就是动量守恒定律的表达式．－F1tm1v1′＋m2v2′总动量总动量动量守恒定律可由牛顿运动定律和运动学公式(动量定理)推导，那么二者的适用范围是否一样？提示：牛顿运动定律适用于宏观物体、低速运动(相对光速而言)，动量守恒定律适用于任何物体、任何运动．三、反冲运动与火箭1．反冲：根据动量守恒定律，一个静止的物体在内力的作用下分裂为两个部分，一部分向某一个方向运动，另一部分向______方向运动的现象．2．反冲现象的防止及应用(1)防止：枪身的反冲、高压水枪的反冲等．(2)应用：喷灌装置、火箭等．相反2．(1)反冲运动可以用动量守恒定律来处理．()(2)一切反冲现象都是有益的．()(3)章鱼、乌贼的运动利用了反冲的原理．()√×√3．火箭(1)原理：火箭的飞行应用了______的原理，靠喷出气流的反冲作用来获得巨大速度．(2)影响火箭获得速度大小的因素：一是__________，喷气速度越大火箭能达到的速度______．二是燃料质量越大、负荷______，火箭能达到的速度也越大．反冲喷气速度越大越小3．(1)火箭点火后离开地面加速向上运动，是地面对火箭的反作用力作用的结果．()(2)在没有空气的宇宙空间，火箭仍可加速前行．()×√动量守恒定律的理解及应用1．研究对象：相互作用的物体组成的系统．2．正确理解“总动量保持不变”，不仅指系统的初末两个时刻的总动量相等，而是指系统在整个过程中任意两个时刻的总动量相等．3．动量守恒定律的“五性”(1)矢量性：定律的表达式是一个矢量式，其矢量性表现在：①该式说明系统的总动量在相互作用前后不仅大小相等，方向也相同．②在求初、末状态系统的总动量p＝p1＋p2＋…和p′＝p1′＋p2′＋…时，要按矢量运算法则计算．如果各物体动量的方向在同一直线上，要选取一正方向，将矢量运算转化为代数运算．(2)相对性：动量守恒定律中，系统中各物体在相互作用前后的动量，必须相对于同一惯性系，各物体的速度通常均为对地的速度．(3)条件性：动量守恒定律是有条件的，应用时一定要首先判断系统是否满足守恒条件．(4)同时性：动量守恒定律中p1、p2…必须是系统中各物体在相互作用前同一时刻的动量，p1′、p2′…必须是系统中各物体在相互作用后同一时刻的动量．(5)普适性：动量守恒定律不仅适用于两个物体组成的系统，也适用于多个物体组成的系统．不仅适用于宏观物体组成的系统，也适用于微观粒子组成的系统．4．应用动量守恒定律的解题步骤(1)确定相互作用的系统为研究对象；(2)分析研究对象所受的外力；(3)判断系统是否符合动量守恒条件；(4)规定正方向，确定初、末状态动量的正、负号；(5)根据动量守恒定律列式求解，并对结果进行讨论．将矢量运算转化为代数运算时，符号处理应注意：(1)若用v、v′表示物体的速度大小，则速度沿正向时动量表示为mv、mv′，速度沿负方向时，动量表示为－mv、－mv′．(2)若用v、v′表示物体速度，则无论正向、反向，动量都表示为mv、mv′，方向包含在v、v′之中，求解结果的正、负可确定速度的方向．命题视角1对动量守恒定律的理解关于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[思路点拨]动量守恒定律成立的条件是系统不受外力，或所受合外力为0，或者是系统所受的外力比相互作用的内力小很多．[解析]根据动量守恒条件可知A、B错误，C正确；D项中所有物体加速度为零时，各物体速度恒定，动量恒定，总动量一定守恒．[答案]C系统动量守恒的判定方法(1)分析动量守恒时研究对象是系统，分清外力与内力．(2)研究系统受到的外力矢量和．(3)外力矢量和为零，则系统动量守恒；若外力在某一方向上合力为零，则在该方向上系统动量守恒．(4)系统动量严格守恒的情况很少，在分析具体问题时要注意把实际过程理想化．命题视角2动量守恒定律在多物体、多过程问题中的应用如图所示，在光滑的水平面上有两个并排放置的木块A和B，已知木块A、B的质量分别为mA＝500g、mB＝300g．有一个质量为80g的小铁块C以25m/s的水平初速度开始在A表面上滑动．由于C与A、B之间有摩擦，铁块最后停在B上，B和C一起以2．5m/s的速度共同前进．求：(1)木块A的最后速度v′A的大小；(2)C在离开A时的速度v′C的大小．[思路点拨](1)本题的物理过程可分为两个阶段，即C分别在A、B上滑动的阶段．(2)本题求解的一个关键是确定C离开A时A、B的速度相同．[解析](1)取A、B、C三个物体组成的系统为研究对象．系统所受到的合外力为零，系统动量守恒，则mCvC＝mAv′A＋(mB＋mC)v代入已知数据解得v′A＝mCvC－（mB＋mC）vmA＝80×25－（300＋80）×2.5500m/s＝2．1m/s．(2)铁块C离开A滑到B上时，木块A和B具有相同的速度v′A．仍对A、B、C组成的系统应用动量守恒定律得mCvC＝mCv′C＋(mA＋mB)v′A．解得v′C＝mCvC－（mA＋mB）v′AmC＝80×25－（500＋300）×2.180m/s＝4m/s．[答案](1)2．1m/s(2)4m/s应用动量守恒定律解决多物体、多过程问题的关键是正确划分过程与合理选择研究系统．有的过程选部分物体为研究系统，有的过程需要选取全部物体为研究系统．命题视角3动量守恒定律中的临界、极值问题如图所示，甲、乙两船的总质量(包括船、人和货物)分别为10m、12m，两船沿同一直线同一方向运动，速度分别为2v0、v0．为避免两船相撞，乙船上的人将一质量为m的货物沿水平方向抛向甲船，甲船上的人将货物接住，求抛出货物的最小速度．(不计水的阻力)[思路点拨]选取向右为速度的正方向，甲接住货物后，两船不相撞应满足：v′乙≥v′甲，临界条件为：v′乙＝v′甲．此时对应抛出货物的速度最小．[解析]设乙船上的人抛出货物的最小速度大小为vmin，抛出货物后船的速度为v1，甲船上的人接到货物后船的速度为v2，甲、乙两船的运动方向为正方向．由动量守恒定律得12mv0＝11mv1－mvmin①10m×2v0－mvmin＝11mv2②为避免两船相撞应满足v1＝v2③联立①②③式得vmin＝4v0．[答案]4v0动量守恒定律应用中的常见临界情形(1)如图甲所示，光滑水平面上的A物体以速度v去撞击静止的B物体，A、B两物体相距最近时，两物体速度必定相等，此时弹簧最短，其压缩量最大．甲乙(2)如图乙所示，物体A以速度v0滑到静止在光滑水平面上的小车B上，当A在B上滑行的距离最远时，A、B相对静止，A、B两物体的速度必定相等．(3)如图丙所示，质量为M的滑块静止在光滑水平面上，滑块的光滑弧面底部与桌面相切，一个质量为m的小球以速度v0向滑块滚来．设小球不能越过滑块，则小球到达滑块上的最高点(即小球竖直方向上的速度为零)时，两物体的速度肯丙定相等(方向为水平向右)．【通关练习】1．(多选)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解析：选ACD．在两手同时放开后，水平方向无外力作用，只有弹簧的弹力(内力)，故动量守恒，即系统的总动量始终为零，A对；先放开左手，再放开右手后，是指两手对系统都无作用力之后的那一段时间，系统所受合外力也为零，即动量是守恒的，B错；先放开左手，系统就在右手作用下，产生向左的冲量，故有向左的动量，再放开右手后，系统的动量仍守恒，即此后的总动量向左，C对；其实，无论何时放开手，只要是两手都放开就满足动量守恒的条件，即系统的总动量保持不变．若同时放开，那么放手后系统的总动量就等于放手前的总动量，即为零；若两手先后放开，那么两手都放开后的总动量就与放开最后一只手后系统所具有的总动量相等，即不为零，D对．2．如图所示，甲、乙两小孩各乘一辆小车在光滑水平面上匀速相向行驶，速率均为v0＝6．0m/s．甲小孩车上有质量m＝1kg的小球若干个，甲和他的车及所带小球总质量M1＝50kg，乙和他的车总质量M2＝30kg．甲不断地将小球一个一个地以v＝16．5m/s的水平速度(相对于地面)抛向乙，并被乙接住．问：甲至少要抛出多少个小球，才能保证两车不会相碰？解析：两车不相碰的临界条件是它们最后的速度(对地)相同．由该系统动量守恒，以甲运动方向为正方向，有M1v0－M2v0＝(M1＋M2)v′，①再以甲及小球为系统，同样有M1v0＝(M1－nm)v′＋nmv，②联立①②解得n＝15个．答案：15个对反冲运动的理解1．反冲运动的特点(1)物体的不同部分在内力作用下向相反方向运动．(2)反冲运动中，相互作用的内力一般情况下远大于外力，所以可以用动量守恒定律来处理．(3)反冲运动中，由于有其他形式的能转变为机械能，所以系统的总动能增加．2．讨论反冲运动时应注意的问题(1)相对速度问题：在讨论反冲运动时，有时给出的速度是相互作用的两物体的相对速度．由于动量守恒定律中要求速度为对同一参考系的速度(通常为对地的速度)，应先将相对速度转换成对地的速度后，再列动量守恒定律方程．(2)变质量问题：在讨论反冲运动时，还常遇到变质量物体的运动，如在火箭的运动过程中，随着燃料的消耗，火箭本身的质量不断减小，此时必须取火箭本身和在相互作用的短时间