动量概念的由来
物理学中把mv定义为物体的动量,用p表示
上节实验探究表明,A、B两物体碰撞前后的不变量为:
即它们的质量和速度的乘积mv在碰撞前后很可能是保持不变的
mv这个物理量具有特别的意义
1、定义:物体的质量和速度的乘积,叫做物体的动量p,用公式表示为 p=mv
一、动量
2、单位:在国际单位制中,动量的单位是
千克·米/秒,符号是 kg·m/s ;
3、动量是矢量:方向由速度方向决定,动量的方向与该时刻速度的方向相同;
4、动量是描述物体运动状态的物理量,是状态量;
5、动量是相对的,与参考系的选择有关。
注意:物体的动量,总是指物体在某一时刻的动量,即具有瞬时性,故在计算时相应的速度应取这一时刻的瞬时速度
二、动量的变化?p
1、某段运动过程(或时间间隔)末状态的动量
p ' 跟初状态的动量p的矢量差,称为动量的变化(或动量的增量),即
2、动量变化的三种情况:
大小变化、方向改变或大小和方向都改变。
?p = p' - p
3、同一直线上动量变化的ΔP运算:
质量为m的钢球自高处落下,以速率v1碰地,竖直向上弹回,与水平地面碰撞时间极短,离地时速率为v2,在碰撞过程中,钢球动量变化为多少?
取向下为正方向?p = p' – p= -mv2 - mv1
讨论一下动量和动能的关系
若速度变化,
ΔEk可能为零
kg·m2/s2
(J)
标量
Ek= mv2/2
动能
若速度变化,则Δp一定不为零
kg·m/s
(N·S)
矢量
p=mv
动量
动量与动能有什么区别?
动量与动能间量值关系:
思考与讨论
动量发生变化时,动能不一定发生变化,动能发生变化时,动量一定发生变化
动量发生变化
速度大小改变方向不变
速度大小不变方向改变
速度大小和方向都改变
动能改变
动能改变
动能不变
思考与讨论
在前面所学的动能定理中,我们知道,动能的变化是由于力的位移积累即力做功的结果,那么,动量的变化又是什么原因引起的呢?
动量的变化与速度的变化有关,而速度的变化是因为有加速度,而牛顿第二定律告诉我们,加速度是由物体所受的合外力产生的。
牛顿第二定律推导动量的变化
质量为m的物体,在合力F的作用下,经过一段时间t,速度由v 变为v’
分析:
由牛顿第二定律知:
而加速度定义有:
变形可得:
F = m a
联立可得:
=⊿p/⊿t
这就是牛顿第二定律的另一种表达形式。
表明动量的变化与力的时间积累效果有关。
1、定义:作用在物体上的力和作用时间的乘积,叫做该力对这个物体的冲量I,用公式表示为 I=Ft
2、单位:在国际单位制中,冲量的单位是牛·秒,符号是N·s
三、冲量
3、冲量是矢量:方向由力的方向决定,若为恒定方向的力,则冲量的方向跟这力的方向相同
4、冲量是过程量,反映了力对时间的积累效应
四:冲量的计算方法:
1、由于冲量是一个过程量,求冲量时必须
明确是哪个力在哪段时间内对哪个物体的冲
量,另外还要明确是计算分力还是合力的冲量
2、若物体受到恒力作用,冲量数值上等于力与
作用时间的乘积,方向与恒力方向一致;若力
为同一方向均匀变化的力,该力的冲量可以用
平均力计算;若为一般的变力,不能直接计算。
例1平抛一质量m=2Kg的物体,经t=5s,重力的冲量
解析:重力为恒力,可直接用定义式求解
则:I=mgt=100Ns
例2.如图,物体原先静止,在恒力F1、F2分别作用t1、t2,
求物体受F1、F2的合冲量。
分析:整过程作用力为变力,但分两段,则每段为恒力,可用定义式求解,且F1、F2在一套直线上,可用代数求和。
I合= F1t1+F2t2. 若两力方向相反呢?
例3物体受F=Kt作用,求t1时间内的冲量。
分析:力随t变化,是变力,不能采用定义式求解。
图像法:以t为横轴,F为纵轴建立坐标系。则图线与时间轴围成的面积,表示一段时间内的冲量。
I=Kt12/2
I=24Ns
力的空间积累
使动能发生变化
N·m(J)
标量
W= FS
功
力的时间积累
使动量发生变化
N·S
矢量
I=Ft
冲量
冲量与功有什么区别?
1、作用力与反作用力:作用力的冲量与反作用力的冲量总是等值、反向并在同一条直线上,但是作用力的功与反作用力的功不一定相等。
2、内力:对物体系统内部,内力作用的冲量的矢量和等于零,但内力的功的代数和不一定为零。
例:人在船上行走——人对船的作用力与船对人的反作用力的冲量的矢量和等于零,但是人对船的作用力和船对人的反作用力都做正功,使人和船的动能都增加。
思考与讨论
动量、动量变化量和冲量
1
动量 动量变化量 冲量
定义式
单位
矢量性
四、动量定理
1、内容:物体所受合外力的冲量等于物体的动量变化,这就是动量定理。
2、表达式:
或
3、加深理解:
1)物理研究方法:过程量可通过状态量的变化来反映;
2)表明合外力的冲量是动量变化的原因;
3)动量定理是矢量式,合外力的冲量方向与物体动量变化的方向相同:
4)可以利用合力冲量求动量或动量变化,也可以利用动量变化求合力冲量
动量定理的适用范围
1、动量定理不但适用于恒力,也适用于随时间变化的变力,对于变力,动量定理中的F应理解为变力在作用时间内的平均值;
2、动量定理不仅可以解决匀变速直线运动的问题,还可以解决曲线运动中的有关问题,将较难的计算问题转化为较易的计算问题;
3、动量定理不仅适用于宏观低速物体,也适用于微观现象和变速运动问题。
动量定理的优点:不考虑中间过程,只考虑初末状态。
动量定理的应用步骤
1、确定研究对象:一般为单个物体;
4、选定正方向,确定在物理过程中研究对象的动量的变化;
5、根据动量定理列方程,统一单位后代入数据求解。
2、明确物理过程:受力分析,求出合外力的冲量;
3、明确研究对象的初末状态及相应的动量;
例2:一个质量为0.18kg的垒球,以25m/s的水平速度飞向球棒,被球棒打击后反向水平飞回,速度大小变为45m/s,设球棒与垒球的作用时间 为0.01s。球棒对垒球的平均作用力是多大?
解析
沿垒球飞向球棒时的方向建立坐标轴,垒球的初动量为
p=mv=0.18×25 kg·m/s=4.5kg·m/s
p'=mv'=(-0.18)×25 kg·m/s= - 8.1kg·m/s
由动量定理知垒球所受的平均作用力为
垒球所受的平均作用力的大小为1260N,
负号表示力的方向与垒球飞来的方向相反
练一练:如何利用动量定理解题?
五、动量定理解释生活现象
①△P一定,t短则F大,t长则F小;
由Ft=ΔP可知:
②t一定,F大则△P大,F小则△P小;
③F一定,t长则△P大,t短则△P小。
——缓冲装置
举例说明生活中还有那些现象利用了动量定理?
1、用锤子使劲压钉子,就很难把钉子压入木块中去,如果用锤子以一定的速度敲钉子,钉子就很容易钻入木块,这是为什么?
思考与讨论
?力的瞬时效果: 牛顿第二定律 F合=ma
?力对空间的积累: 动能定理
W总=W1+W2+…=mv22/2-mv12/2
?力对时间的积累: 动量定理
I合=F合t=p’-p=mv’-mv
?功 W=Fscos? (J)--标量;恒力
? 冲量 I=Ft (N·s) --矢量;恒力
?动能 Ek=mv2/2 (J) --标量
? 动量 p=mv (kg·m/s)--矢量
例3、关于冲量、动量及动量变化,下列说法正确的是: ( )
A. 冲量方向一定和动量变化的方向相同
B. 冲量的大小一定和动量变化的大小相同
C. 动量的方向改变,冲量方向一定改变
D. 动量的大小不变,冲量一定为0.
A B
下列哪些论断是正确的? ( )
(A) 某力F对物体没有做功,此力F对物体的冲量必为零;
(B) 如果物体的动能没有发生变化,此物体的动量也不可能发生变化;
(C) 静摩擦力可能做正功,也可能做负功,但滑动摩擦力只能做负功;
(D) 静摩擦力和滑动摩擦力都可能做正功,也都可能做负功.
D
1、质量为5kg的小球,从距地面高为20m处水平抛出,初速度为10m/s,不计空气阻力,g=10m/s2,从抛出到落地过程中,重力的冲量是(????? )
A、60N·s??? B、80N·s ??
C、100N·s?? ?D、120N·s
C
3、质量为2Kg的物体A,放在光滑的水平面上,受如图F=10N的力作用了10秒,则在此过程中F的冲量大小是________,重力的冲量大小是___,支持力的冲量是____,合力的冲量是______,合力的冲量与各分量的关系是 。(g=10m/s2)
100Ns
200Ns
50Ns
合力冲量等于各分力冲量矢量和
4、质量为m的物体,静止在足够大的水平面上,物体与桌面的动摩擦因数为μ,有一水平恒力F作用于物体上,并使之加速前进,经t1秒后撤去恒力F,求物体运动的总时间t。
例5:一质点在水平面内以速度v做匀速圆周运动,如图,质点从位置A开始,经1/2圆周,质点所受合力的冲量是多少?
解:质点做匀速圆周运动,合力是一个大小不变、但方向不断变化的力,
注意:变力的冲量一般不能直接由F·Δt求出,可借助ΣF·Δt=Δp间接求出,即合外力力的冲量由末动量与初动量的矢量差来决定.
以vB方向为正,因为vA =- v , vB = v
则Δp=mvB - mvA =m[v – ( - v )]=2mv,合力冲量与vB同向.
6.两个物体的质量之比m1:m2=1:2.
1.若动能相等,则动量之比 p1:p2= .
2.若动量相等,则动能之比 Ek1:Ek2= .
2:1
1、关于冲量和动量,下列说法中正确
的是( )
A、冲量是反映力的作用时间积累效果的物理量
B、动量是描述物体运动状态的物理量
C、冲量是物体动量变化的原因
D、冲量是描述物体状态的物理量
ABC
3、甲、乙两个质量相同的物体,以相同的初速度分别在粗糙程度不同的水平面上运动,乙物体先停下来,甲物体又经较长时间停下来,下面叙述中正确的是( )
A、甲物体受到的冲量大
B、乙物体受到的冲量大
C、两个物体受到的冲量大小相等 D、无法判断
C
4、玻璃杯从同一高度落下,掉在水泥地上比掉在草地上容易碎,这是由于在玻璃杯与水泥地撞击过程中( )
A、玻璃杯动量较大 B、玻璃杯受到冲量较大
C、玻璃杯动量变化较大
D、玻璃杯动量变化较快
D
5、将重物P压住纸带,当用一水平力缓缓拉动纸带时,重物会随纸带一起运动,当迅速拉动纸带时,纸带将会从重物下抽出,则下列解释正确的是( )
A、在缓缓拉动时,纸带给重物的摩擦力较大 B、在迅速拉动时,纸带给重物的摩擦力较小
C、在缓缓拉动时,纸带给重物的冲量较大 D、在迅速拉动时,纸带给重物的冲量较小
CD
例7:物体A和B用轻绳相连挂在轻弹簧下静止不动,如图(a)所示.A的质量为m,B的质量为M,将连接A、B的绳烧断后,物体A上升经某一位置时的速度大小为v,这时物体B的下落速度大小为u,如图(b)所示,在这段时间里,弹簧弹力对物体A的冲量等于 ( )
A.mv B.Mv - Mu
C.Mv+Mu D.mv+mu
解:对B,由动量定理得
Mgt=Mu,
∴u =gt,
对A,由动量定理得
IF – mgt = mv,
∴ IF =mgt + mv = mu + mv
D
8、以速度v0竖直上抛一个质量为m的物体,不计阻力,物体在运动过程中(取竖直向上为正).
(1)动量增量△p随时间t变化的图线是图中的哪一个?
A B C D
(C)
(2)若纵轴表示动量的变化率,则动量变化率随时间t的变化图线是图中的哪一个?(取竖直向上为正)( )
t
△P/t
0
t
t
△P/t
0
t
△P/t
0
A B C D
D
解:?从图中可知,物体所受冲量为F - t图线下面包围的“面积”,
设末速度为v′,根据动量定理
Σ F ·Δt=Δp ,有
F1t1+ F2 (t2 -t1 ) = mv′ - 0
∴ v′= [ F1t1+ F2 (t2 -t1 ) ] /m
例、如图表示物体所受作用力随时间变化的图象,若物体初速度为零,质量为m,求物体在t2 时刻的末速度?