含解析)新人教版选修3_5.doc
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1、- 1 -第 2 节动量和动量定理1物体质量与速度的乘积叫动量,动量的方向与速度方向相同。2力与力的作用时间的乘积叫冲量,冲量的方向与力的方向相同。3物体在一个过程始末的动量变化量等于它在这个过程中所受合力的冲量,动量变化量的方向与合力的冲量方向相同。一、动量及动量的变化1动量(1)定义:物体的质量和速度的乘积。(2)公式: p mv。(3)单位:千克米/秒,符号:kgm/s。(4)矢量性:方向与速度的方向相同。运算遵守平行四边形定则。2动量的变化量(1)定义:物体在某段时间内末动量与初动量的矢量差(也是矢量), p p p(矢量式)。(2)动量始终保持在一条直线上时的动量运算:选定一个正方向
2、,动量、动量的变化量用带正、负号的数值表示,从而将矢量运算简化为代数运算(此时的正、负号仅代表方向,不代表大小)。二、冲量1定义:力与力的作用时间的乘积。2公式: I F(t t)。3单位:牛秒,符号是 Ns。4矢量性:方向与力的方向相同。5物理意义:反映力的作用对时间的积累效应。三、动量定理1内容:物体在一个过程始末的动量变化量等于它在这个过程中所受力的冲量。- 2 -2表达式: mv mv F(t t)或 p p I。1自主思考判一判(1)动量的方向与速度方向一定相同。()(2)动量变化的方向与初动量的方向一定相同。()(3)冲量是矢量,其方向与力的方向相同。()(4)力越大,力对物体的冲
3、量越大。()(5)若物体在一段时间内,其动量发生了变化,则物体在这段时间内的合外力一定不为零。()2合作探究议一议(1)怎样理解动量的矢量性?提示:动量是物体的质量与速度的乘积,而不是物体的质量与速率的乘积,动量的方向就是物体的速度方向,动量的运算要遵守矢量法则,同一条直线上的动量的运算首先要规定正方向,然后按照正负号法则运算。(2)在地面上垫一块较厚的软垫(如枕头),手拿一枚鸡蛋轻轻的释放让它落到软垫上,鸡蛋会不会破?动手试一试,并用本节知识进行解释。提示:鸡蛋不会破。因为软垫延长了与鸡蛋的作用时间,根据动量定理得 F ,即鸡 p t蛋受到的冲击力减小,故不会破。对动量、冲量的理解1动量的性
4、质(1)瞬时性:通常说物体的动量是物体在某一时刻或某一位置的动量,动量的大小可用p mv 表示。(2)矢量性:动量的方向与物体的瞬时速度的方向相同。(3)相对性:因物体的速度与参考系的选取有关,故物体的动量也与参考系的选取有关。2冲量的性质(1)过程量:冲量描述的是力的作用对时间的积累效应,取决于力和时间这两个因素,- 3 -所以求冲量时一定要明确所求的是哪一个力在哪一段时间内的冲量。(2)矢量性:冲量的方向与力的方向相同,与相应时间内物体动量变化量的方向相同。3动量变化量(1)表达式: p p2 p1。(2)矢量性:动量变化量是矢量,与速度变化的方向相同,运算遵循平行四边形定则,当 p2、
5、p1在同一条直线上时,可规定正方向,将矢量运算转化为代数运算。(3)物体动量变化的几种情况:物体做匀速直线运动时,其动量不变动量的大小和方向都不变。物体做匀速圆周运动时,其动量时刻改变动量的大小不变,但方向时刻改变。物体做平抛运动时,其动量时刻改变动量的大小时刻改变,方向也时刻改变。物体做匀变速直线运动时,其动量时刻改变,动量的大小时刻改变,方向可能改变。典例 羽毛球是速度最快的球类运动之一,运动员扣杀羽毛球的速度可达到 342 km/h,假设球飞来的速度为 90 km/h,运动员将球以 342 km/h 的速度反向击回。设羽毛球质量为 5 g,击球过程只用了 0.05 s。试求:(1)运动员
6、击球过程中羽毛球的动量变化量。(2)运动员击球过程中羽毛球所受重力的冲量、羽毛球的动能变化量各是多少?思路点拨 解答本题时应注意以下两点:(1)求动量变化时要选取正方向,同时注意羽毛球的初速度与末速度的方向关系。(2)动能是标量,动能的变化量等于羽毛球的末动能与初动能的大小之差。解析 (1)以羽毛球飞来的方向为正方向,则p1 mv1510 3 kgm/s0.125 kgm/s903.6p2 mv2510 3 kgm/s0.475 kgm/s,3423.6所以动量的变化量 p p2 p1(0.4750.125)kgm/s0.600 kgm/s,所以羽毛球的动量变化大小为 0.600 kgm/s,
7、方向与羽毛球飞来的方向相反。(2)羽毛球重力大小为 G mg0.05 N所以重力的冲量 I Gt2.510 3 Ns,方向竖直向下羽毛球的初速度为 v125 m/s,羽毛球的末速度 v295 m/s所以 Ek Ek Ek mv22 mv1221 J。12 12答案 (1)0.600 kgm/s,与球飞来的方向相反 (2)2.510 3 Ns,方向竖直向下 21 J- 4 -动量和动能的比较动量 动能物理意义 描述机械运动状态的物理量定义式 p mv Ek mv212标矢性 矢量 标量变化决定因素 物体所受冲量 外力所做的功换算关系 p , Ek2mEk p22m1多选关于物体的动量,下列说法中
8、正确的是( )A惯性越大的物体,它的动量也越大B动量大的物体,它的速度不一定大C物体的动能不变,则其动量也保持不变D运动物体在任一时刻的动量的方向一定是该时刻的速度方向解析:选 BD 动量的大小由质量和速度的大小决定,即 p mv,惯性大则质量大,但动量不一定大,选项 A 错误;动量大的物体,可能是速度大,但也有可能是质量大,选项 B 正确;动量是矢量,其方向与速度方向相同,只有在速度的大小、方向均不变时,物体的动量才保持不变,而动能不变只能说明物体的速度大小不变,故选项 C 错误,D 正确。2多选如图所示,一质量为 m 的滑块沿光滑的水平面以速度 v0运动。遇到竖直的墙壁被反弹回来,返回的速
9、度变为 v0,12则以下说法正确的是( )A滑块的动量改变量的大小为 mv012B滑块的动量改变量的大小为 mv032C滑块的动量改变量的方向与 v0的方向相反D重力对滑块的冲量为零解析:选 BC 设以初速度方向为正方向,则滑块的动量改变量 p mv0 mv0 mv0,方向与规定的正方向相反,即与 v0的方向相反,A 错误,B、C12 32正确;根据 I Ft 可知,重力的冲量为 I mgt,不为零,D 错误。3如图所示,一质量 m3 kg 的物体静止在光滑水平面上,受到- 5 -与水平方向成 60角的力作用, F 的大小为 9 N,经 2 s 时间,求:( g 取 10 N/kg)(1)物体
10、重力冲量大小。(2)物体受到的支持力冲量大小。(3)力 F 的冲量大小。(4)合外力的冲量大小。解析:对物体受力分析如图所示,则(1)重力的冲量IG mgt3102 Ns60 Ns。(2)支持力的冲量 IFN FNt( mg Fsin 60)t2 Ns44.4 Ns。(310 932)(3)力 F 的冲量I Ft92 Ns18 Ns。(4)合外力的冲量 I 合 Fcos 60t90.52 Ns9 Ns。答案:(1)60 Ns (2)44.4 Ns (3)18 Ns(4)9 Ns对动量定理的理解及应用1对动量定理的理解(1)适用对象:在中学物理中,动量定理的研究对象通常为单个物体。(2)适用范围
11、:动量定理不仅适用于宏观物体的低速运动,也适用于微观物体的高速运动。不论是变力还是恒力,不论物体的运动轨迹是直线还是曲线,动量定理都适用。(3)因果关系:合外力的冲量是原因,物体动量的变化量是结果。冲量反映了力对时间的积累效应,与物体的初、末动量以及某一时刻的动量无必然联系。物体动量变化的方向与合力的冲量的方向相同,物体在某一时刻的动量方向与合力的冲量的方向无必然联系。2动量定理的应用(1)定性分析有关现象。物体的动量变化量一定时,力的作用时间越短,力就越大,反之力就越小。例如,易碎物品包装箱内为防碎而放置碎纸、刨花、塑料泡沫等填充物。作用力一定时,力的作用时间越长,动量变化量越大,反之动量变
12、化量就越小。例如,杂耍中,用铁锤猛击“气功师”身上的石板令其碎裂,作用时间很短,铁锤对石板的冲量很小,石板的动量几乎不变, “气功师”才不会受伤害。(2)定量计算。- 6 -应用动量定理可以计算某力或合力的冲量,通常多用于计算变力的冲量。应用动量定理可以计算某一过程中的平均作用力,通常多用于计算持续作用的变力的平均大小。应用动量定理可以计算物体的初、末动量,尤其方便处理物体受瞬间冲量的问题。(3)应用动量定理定量计算的一般步骤。 选 定 研 究 对 象 ,明 确 运 动 过 程 进 行 受 力 分 析 ,确 定 初 、 末 状 态 选 取 正 方 向 , 列动 量 定 理 方 程求 解典例 质
13、量为 0.5 kg 的弹性小球,从 1.25 m 高处自由下落,与地板碰撞后回跳高度为 0.8 m。设碰撞时间为 0.1 s, g 取 10 m/s2,求小球对地板的平均作用力。思路点拨(1)小球碰撞地板前做自由落体运动,碰撞地板后做竖直上抛运动。(2)小球碰撞地板时受地板作用力和自身重力。(3)小球对地板的平均作用力与地板对小球的平均作用力是作用力与反作用力。解析 法一:分段处理取小球为研究对象,根据自由落体运动和竖直上抛运动可知,小球碰撞前的速度: v1 m/s 5 m/s,方向向下;2gh1 2101.25小球碰撞后的速度: v2 m/s4 m/s,方向向上。2gh2 2100.8小球受
14、力情况如图所示,取竖直向上为正方向。根据动量定理:( N mg)t mv2( mv1)FN mg50 NFmv2 mv1t由牛顿第三定律可知,小球对地板的平均作用 力大小为 50 N,方向竖直向下。法二:全程处理以开始下落的瞬间为初状态,反弹到最高点时为末状态,则重力的作用时间:t t 碰 (0.50.10.4)s1 s2h1g 2h2g平均冲力的作用时间为 t 碰 0.1 s取竖直向下为正方向, mgt Nt 碰 0F所以 N N50 NFmgtt碰 0.51010.1由牛顿第三定律可知,小球对地板的平均作用力大小为 50 N,方向竖直向下。答案 50 N,方向竖直向下- 7 -应用动量定理
15、的四点注意事项(1)明确物体受到冲量作用的结果是导致物体动量的变化。冲量和动量都是矢量,它们的加、减运算都遵循平行四边形定则。(2)列方程前首先要选取正方向,与规定的正方向一致的力或动量取正值,反之取负值,而不能只关注力或动量数值的大小。(3)分析速度时一定要选取同一个参考系,未加说明时一般是选地面为参考系,同一道题目中一般不要选取不同的参考系。(4)公式中的冲量应是合外力的冲量,求动量的变化量时要严格按公式,且要注意是末动量减去初动量。 1如图所示,铁块压着一纸条放在水平桌面上,当以速度 v抽出纸条后,铁块掉在地上的 P 点,其他条件不变,若以 2v 的速度抽出纸条,则铁块落地点为( )A仍
16、在 P 点B P 点左边C P 点右边不远处D P 点右边原水平位移两倍处解析:选 B 两种情况纸片运动距离相同,所以速度越大,需要的时间越短。在抽出的过程中,铁块受摩擦力作用,使铁块获得速度,根据动量定理得 Ft mv0,时间越短,速度越小,平抛距离越短,所以 B 正确。2多选从塔顶以相同速度大小抛出 A、 B、 C 三个小球, A 球竖直上抛, B 球平抛, C球竖直下抛,另有 D 球从塔顶开始自由下落。已知四个小球的质量相同,落到同一水平地面上。则( )A落地时动能相同的小球是 A、 B、 CB落地时动量相同的小球是 A、 B、 CC从离开塔顶到落地的过程中,动能增量相同的小球只有 A、
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