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动量定律是力对时间的积累效应,使物体的动量发生改变,适用的范围很广,它的研究对象可以是单个物体,也可以是物体系;它除了适用于恒力情形,并且也适用于变力情形,尤其在解决作用时间短、作用力大小随时间变化的严打、碰撞等问题时,动量定律要比牛顿定理便捷得多。
一、用动量定律解释生活中的现象
【例1】竖立放置的粉笔压在字条的一端.要想把字条从粉笔下抽出,又要保证粉笔不倒,应当缓缓、小心地将字条抽出,还是快速将字条抽出?说明理由。
【解析】纸条从粉笔下抽出,粉笔遭到字条对它的滑动磨擦力μmg作用,方向顺着字条抽出的方向。不论字条是快速抽出,还是缓缓抽出,粉笔在水平方向遭到的磨擦力的大小不变。在字条抽出过程中,粉笔遭到磨擦力的作用时间用t表示,粉笔遭到磨擦力的冲量为μmgt,粉笔原先静止,初动量为零,粉笔的末动量用mv表示.依据动量定律有:μmgt=mv。
假如平缓抽出字条,字条对粉笔的作用时间比较长,粉笔遭到字条对它磨擦力的冲量就比较大,粉笔动量的改变也比较大,粉笔的底端就获得了一定的速率.因为惯性,粉笔下端还没有来得及运动,粉笔就倒了。
假如在极短的时间内把字条抽出,字条对粉笔的磨擦力冲量极小,粉笔的动量几乎不变.粉笔的动量改变得极小,粉笔几乎不动,粉笔也不会倒下。
二、用动量定律解曲线运动问题
【例2】以速率v0水平抛出一个质量为1kg的物体,若在抛出后5s未落地且未与其它物体相撞,求它在5s内的动量的变化.(g=10m/s2)。
【解析】此题若求出末动量,再求它与初动量的矢量差,则极为繁杂.因为平抛出去的物体只受重力且为恒力,故所求动量的变化等于重力的冲量.则Δp=Ft=mgt=1×10×5=50kg·m/s。
注:①运用Δp=mv-mv0求Δp时,初、末速率必须在同仍然线上,若不在同仍然线动量定理,需考虑运用矢量法则或动量定律Δp=Ft求解Δp.②用I=F·t求冲量,F必须是恒力,若F是变力,需用动量定律I=Δp求解I。
三、用动量定律解决严打、碰撞问题
严打、碰撞过程中的互相斥力,通常不是恒力,用动量定律可只讨论初、末状态的动量和斥力的冲量,何必讨论每刹那时力的大小和加速度大小问题。
【例3】蹦床是运动员在一张紧绷的弹性网上蹦跳、翻滚并做各类空中动作的运动项目.一个质量为60kg的运动员,从离水平网面3.2m高处自由落下,触网后沿竖直方向蹦回到离水平网面1.8m高处.已知运动员与网接触的时间为1.4s.试求网对运动员的平均冲击力.(取g=10m/s2)
【解析】由V^2=2gh
得着网时速率的大小为
|V0|=根号(2gh0)=根号(2*10*3.2)=8m/s
以向下为正,V0=-8m/s
离网时速率V=根号(2gh)=根号(2*10*5)=10m/s
F-mg=ma=m(V-Vo)/t=60*[(10-(-8)]/1.2=900
此力的大小F=mg+ma=60*10+900=1500N
四、用动量定律解决连续流体的作用问题
在日常生活和生产中,常涉及流体的连续互相作用问题,用常规的剖析技巧很难奏效.若建立柱体微元模型应用动量定律剖析求解,则曲径通幽,“柳暗花明又一村”。
【例4】有一宇宙飞船以v=10km/s在太空中飞行,忽然步入一密度为ρ=1×10-7kg/m3的微陨铁尘区,假定微陨铁尘与飞船碰撞后即附着在飞船上.欲使飞船保持原速率不变,试求飞船的推进器的推进力应减小为多少?(已知飞船的正横截面积S=2m2)
【解析】选在时间Δt内与飞船碰撞的微陨铁尘为研究对象,其质量应等于底面积为S,高为vΔt的直柱体内微陨铁尘的质量,即m=ρSvΔt,初动量为0,末动量为mv.设飞船对微陨铁的斥力为F,由动量定律得,则。依据牛顿第三定理可知,微鸡血石对飞船的撞击力大小也等于20N.为此动量定理,飞船要保持原速率匀速飞行,推进器的推力应减小20N。
五、动量定律的应用可扩充到物体系
虽然系统内各物体的运动情况不同,但各物体所受冲量之和仍等于各物体总动量的变化量。
【例5】质量为M的金属块和质量为m的铁块通过细线连在一起,从静止开始以加速度a在水底下沉,经时间t1,细线破裂,金属块和铁块分离,再经过时间t2铁块停止下沉,此时金属块的速率多大?(已知此时金属块还没有见到底面.)
【解析】无论细线是否断了,以两者为系统研究,合外力不变(也就是两者各自受的重力、浮力均不变。而细线的拉力属于内力)
由动量定律可得合外力为(M+m)a它是不变的
为此,合外力的冲量为(M+m)a(t+t')
它等于系统内各个物体动量的变化,即MV(由于初末状态铁块的动量不变)所以,(M+m)a(t+t')=MV,V=(M+m)a(t+t')/M。