高三下册物理 动量 动量定理 逐字稿-4,588字
师:同学们,今天我们复习动量这一章。动量是高中物理中重要的研究方法,和能量类似,所以本章学习方法与能量也很相似。今天先复习动量和动量定理。来看生活中常见的情况:从同样高度落下的鸡蛋,掉在水泥地上容易打碎,而掉在海绵上不容易打碎,这是为什么呢?大家都知道掉在海绵上鸡蛋有缓冲,意味着它与地面作用时间较长。动量这一章从时间角度研究问题,而能量是从空间角度研究。要解决这个问题,就要用到今天复习的动量定理。
在复习动量定理前,先看两个基本概念:动量和冲量。
什么是动量呢?动量是物体质量与速度的乘积。因为是质量与速度的乘积,所以动量是矢量,这和之前学的动能不同,动能是标量,运算法则简单,而动量运算法则遵循平行四边形法则。动量表达式是(p = MV),单位是千克米每秒。动量的方向与瞬时速度方向相同,这表明动量是状态量,和动能类似。
第二个概念是冲量。冲量的定义是力与力作用时间的乘积,表达式用(i)表示冲量,(i = f×t)。这里要特别注意冲量与功的差别,功是力与位移的乘积,还要乘以(\cos\alpha),并且功是标量。由于(\alpha)取值范围的原因,当(\alpha = 90)度时,力做功可能为零。但在研究冲量问题时,时间不会为(0),只要力作用一段时间,就一定有冲量。冲量单位是牛秒,方向与力的方向相同,前提是时间(t)内力的方向保持不变。如果力的方向改变,研究冲量方向就要用到动量定理。冲量的物理意义是反映力的作用对时间的累积效应,而功是反映力的作用对位移的累积效应。功是能量转化的量度,冲量是动量变化的量度,注意它们之间的联系和区别。
下面通过一个例题看看关于动量和冲量的说法。题目有(a)、(b)两个选项,研究动量与动能之间的区别与联系。我们先通过表格对比这两个物理量。动能是物体由于运动而具有的能量,动量是物体质量和速度的乘积,它们都用于研究运动,一个从空间研究,一个从时间研究。动能是标量,动量是矢量,两者表达式也不同,动能(E_{k}=\frac{1}{2}MV^{2}),这个量不会为负,而动量(p = MV),方向任意。它们的共同之处在于都是状态量,都能反映某个状态。还有关联方程,消去速度这个量,把两个表达式联系起来,得到(E_{k}=\frac{p^{2}}{2M})。这意味着质量相同情况下,动量相同时动能一样;若动量相同但质量不同,动能就不一样。比如在研究原子核物理衰变现象时,静止的核衰变成两个新核,它们动量大小相等,动能之比就是质量的反比,就会用到这个表达式。同理也能得到(p = \sqrt{2ME_{k}})。
研究了动能和动量的关系后,看(a)、(b)选项。(a)选项说物体动量越大,其动能越大。通过刚才的表达式可知,这还和质量有关,所以(a)不对。(b)选项说物体动量发生变化,其动能可能不变,这是对的。因为动能是标量,动量作为矢量,其变化可能只是速度方向改变,大小不变,那么动能就不改变。比如匀速圆周运动,物体动能不变,但动量时刻在变。
通过(a)、(b)选项区分了动量和动能,再看(c)、(d)选项,主要研究冲量。功是能量转化的原因,冲量就是物体动量变化的原因,对应的是动量定理,之前学的对应动能定理。所以(c)选项正确。(d)选项说作用在静止物体上的力的冲量一定为(0),这句话错误,因为力乘以时间就一定有冲量,除非合力为(0)或者力为(0)。如果改为作用在静止物体上的合力的冲量为(0),那就对了,因为物体静止时合力为(0)。
这道题应该选择(BC)。接下来看第二个考点:动量的变化量(\Delta p)和冲量的计算。
先看动量的变化量,它和速度的变化量类似,表达式(\Delta v = v' - v),这是个矢量表达式,其中的减运算要遵循矢量运算的平行四边形法则。动量变化的方向与速度变化方向相同,即与(\Delta v)的变化方向相同。
高中阶段一般研究同一直线上动量的变化量,要注意规定正方向。比如刚才鸡蛋下落的例子,如果只选择鸡蛋着地过程,从鸡蛋落地获得速度(v = \sqrt{2gh})(这是初速度),着地后末速度(v' = 0),规定向下为正方向,那么鸡蛋下落方向与正方向相同,根据动量变化表达式(\Delta p = mv' - mv),可得(\Delta p = 0 - m\sqrt{2gh} = - m\sqrt{2gh})。这里动量变化为负,表示动量变化方向向上。当然也可以选择全过程研究,从鸡蛋刚开始到最终停止,初动量是(0),末动量是(0),整个过程动量变化为(0),从动能角度考虑也是如此,都要选择合适的过程。
再看蹦床运动的例子,质量(m = 50)千克的运动员从距蹦床(H_{1} = 1.25)米高处自由落下,又能弹起高度(H_{2} = 1.8)米,求运动员与蹦床接触时间内动量的变化量。看这幅图,已标好初始速度和末速度,并规定向上为正方向。运动员从(1.25)米处自由落体接触蹦床时速度设为(v_{1}),弹起的初速度设为(v_{2})。从正方向看,初动量方向与正方向相反,末动量方向与正方向相同。
解析这个问题,设下落(H_{1})时速度是(v_{1}),弹起速度是(v_{2})。根据自由落体运动,(v_{1} = \sqrt{2gH_{1}});对于弹起速度(v_{2}),因为竖直上抛运动具有对称性,可看成反方向的自由落体,高度是(H_{2}),所以(v_{2} = \sqrt{2gH_{2}})。根据动量变化表达式(\Delta p = mv_{2} - (-mv_{1}) = mv_{2} + mv_{1}),代入数值可得(\Delta p = 50×\sqrt{2×10×1.8} + 50×\sqrt{2×10×1.25} = 550)千克米每秒。求出的动量方向为正,表明与正方向相同,即(\Delta p)方向向上。