高中物理 第1章 第4、5節(jié) 反沖運動 自然界中的守恒定律課件 粵教版選修3-5.ppt

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第四節(jié)反沖運動第五節(jié)自然界中的守恒定律 第一章碰撞與動量守恒 欄目鏈接 學習目標 1 認識反沖運動 能舉出幾個反沖運動的實例 2 結合動量守恒定律對反沖現象做出解釋 進一步提高運用動量守恒定律分析和解決實際問題的能力 3 知道火箭的飛行原理和主要用途 了解我國航空 航天事業(yè)的巨大成就 4 了解自然界中的守恒與對稱 欄目鏈接 反沖運動 1 兩位同學在公園里劃船 租船的時間將到 他們把小船劃向碼頭 當小船離碼頭大約1 5m左右時 有一位同學心想 自己在體育課上立定跳遠的成績從未低于2m 跳到岸上絕對沒有問題 于是她縱身一跳 結果卻掉到了水里 她為什么不能如她所想的那樣跳到岸上呢 提示 這位同學與船 包括船上的同學 組成的系統(tǒng)在不考慮水阻力的情況下 水平方向所受合外力為零 系統(tǒng)水平方向動量守恒 她在跳出瞬間 船要向后運動 欄目鏈接 1 定義 當原來靜止或運動的物體向某一方向射出 或拋出 它的一部分時 這個物體的剩余部分將向相反方向運動 這種運動叫反沖運動 2 反沖運動的特點 1 物體的不同部分在內力作用下向相反方向運動 2 反沖運動和碰撞 爆炸相似 相互作用力一般很大 可以用動量守恒定律來處理 3 反沖運動中常伴有其他形式的能轉化為機械能 系統(tǒng)的總能量增加 欄目鏈接 3 求解反沖運動應注意的問題 1 速度的反向性 對于原來靜止的系統(tǒng) 當向某一方向射出 或拋出 它的一部分時 剩余部分的反沖是相對于拋出部分來說 兩者運動方向必然相反 進行計算時 可任意規(guī)定某一部分的運動方向為正方向 則反方向的另一部分的速度應取負值 2 速度的同時性 反沖運動問題中 根據動量守恒定律列出的方程中同一狀態(tài)的速度應是同時的 欄目鏈接 3 速度的相對性 反沖運動中 有時遇到的速度是相互作用的兩物體間的相對速度 由于動量守恒定律中要求速度為對同一慣性系的速度 即對地的速度 因此應先將相對速度轉換成對地的速度后 再列動量守恒定律方程 4 變質量問題 在反沖運動中還常遇到變質量物體的運動 如在火箭的運動過程中 隨著燃料的消耗 火箭本身的質量不斷減小 此時必須取火箭本身和在相互作用的短時間內噴出的所有氣體為研究對象 取相互作用的這個過程為研究過程來進行研究 欄目鏈接 一火箭噴氣發(fā)動機每次噴出m 200g的氣體 氣體離開發(fā)動機噴出時的速度v 1000m s 設火箭質量M 300kg 發(fā)動機每秒鐘噴氣20次 1 當第三次噴出氣體后 火箭的速度多大 2 運動第1s末 火箭的速度多大 解析 火箭噴氣屬反沖現象 火箭和氣體組成的系統(tǒng)動量守恒 運用動量守恒定律求解 1 選取整體為研究對象 運用動量守恒定律求解 欄目鏈接 設噴出三次氣體后火箭的速度大小為v3 以火箭和噴出的三次氣體為研究對象 據動量守恒定律得 M 3m v3 3mv 0 故v3 2m s 2 發(fā)動機每秒鐘噴氣20次 以火箭和噴出的20次氣體為研究對象 根據動量守恒定律得 M 20m v20 20mv 0 故v20 13 5m s 答案 1 2m s 2 13 5m s 欄目鏈接 課堂訓練1 一門舊式大炮 炮身的質量M 1000kg 水平發(fā)射一枚質量是2 5kg的炮彈 如果炮彈從炮口飛出時的速度是600m s 求炮身后退的速度大小 解析 發(fā)射炮彈過程中 炮身和炮彈組成的系統(tǒng)動量守恒 設炮彈飛出的方向為正方向 則得 Mv1 mv2 0 故v1 1 5m s 負號表示炮后退的方向為炮彈飛出的反方向 答案 1 5m s 欄目鏈接 人船模型 問題 人船模型有哪些規(guī)律 提示 1 人 走 船 走 人 停 船 停 2 s人 s船 s人 s船的大小與人運動的時間和運動狀態(tài)無關 欄目鏈接 1 人船模型 問題的特征 兩個原來靜止的物體發(fā)生相互作用時 若所受外力的矢量和為零 則動量守恒 在相互作用的過程中 任一時刻兩物體的速度大小之比等于質量的反比 這樣的問題歸為 人船模型 問題 2 處理 人船模型 問題的關鍵 1 利用動量守恒 確定兩物體速度關系 再確定兩物體通過的位移關系 由于動量守恒 所以任一時刻系統(tǒng)的總動量為零 動量守恒式可寫成m1v1 m2v2的形式 v1 v2為兩物體的瞬時速率 此式表明任意時刻的瞬時速率都與各物體的質量成反比 欄目鏈接 所以全過程的平均速度也與質量成反比 進而可得兩物體的位移大小與各物體的質量成反比 即 2 解題時要畫出各物體的位移關系草圖 找出各長度間的關系 3 注意 1 人船模型 問題中 兩物體的運動特點是 人 走 船 行 人 停 船 停 2 在求解過程中應討論的是 人 及 船 的對地位移 欄目鏈接 有一只小船停在靜水中 船上一人從船頭走到船尾 如果人的質量m 60kg 船的質量M 120kg 船長為l 3m 則船在水中移動的距離是多少 水的阻力不計 欄目鏈接 解析 人在船上走時 由于人 船系統(tǒng)所受合力為零 總動量守恒 因此系統(tǒng)的平均動量也守恒 如右圖所示 設人從船頭到船尾的時間為t 在這段時間里船后退的距離為x 人相對地運動距離為l x 選船后退方向為正方向 由動量守恒有 答案 1m 方法總結 動量守恒定律是瞬時關系式 動量守恒是指時時刻刻的動量守恒 故人勻速走動 車勻速后退 人加速走動 車加速后退 人減速走動 車減速后退 人動車動 人快車快 人慢車慢 人停車停 動量守恒定律的參考系是地面 故人對地位移不是車長L L為人相對于車的位移 作出位移示意圖有助于正確求解 課堂訓練2 多選 一只小船靜止在水面上 一人從船頭向船尾走去 設M船 m人 不計水的阻力 則 AD A 人在船上行走時 人對地的速度大于船對地的速度B 人在船上行走時 人對地的速度小于船對地的速度C 當人停止時 因船的慣性大 所以船要繼續(xù)后退D 人和船組成的系統(tǒng)動量守恒 且總動量等于零 所以人停止船也停止解析 由于不計水的阻力 船和人組成的系統(tǒng)所受合力為零 動量守恒 設船和人的速率分別為v船 v人 并選船的方向為正方向可得M船v船 m人v人 0 即M船v船 m人v人 由M船 M人得v船 v人 當v人 0時v船 0 故選項A D對 B C錯 對守恒定律的理解 解決動力學問題有哪幾種基本觀點 提示 解決動力學問題的三個基本觀點 1 力的觀點 牛頓運動定律結合運動學規(guī)律解題 2 動量觀點 用動量定理和動量守恒定律解題 3 能量觀點 用動能定理和能量轉化守恒定律解題 欄目鏈接 1 守恒定律的特點 1 守恒定律并不告訴我們物體狀態(tài)變化的全部細節(jié) 也不能判定某種變化是否會發(fā)生 也無法描述變化過程的快慢 2 守恒定律可以用來判斷某個變化是否可能發(fā)生 以及一旦發(fā)生物體初 末狀態(tài)間應滿足什么樣的關系 即在符合守恒條件時 可以不分析系統(tǒng)內相互作用過程的細節(jié) 而對系統(tǒng)的變化狀態(tài)或一些問題作出判斷 3 物理學中各種各樣的守恒定律 本質上就是某種物理量保持不變 例如 在微觀世界中我們對粒子之間的相互作用情況不清楚 但是仍然可以用守恒定律得出一些結論 當兩個亞原子微粒碰撞時 由于對碰撞過程中的各種細節(jié)我們還缺乏完整而可靠的計算理論 因而事先并不能準確預知碰撞的結果 但卻可以根據能量與動量守恒推斷碰撞后是否會有未觀察到的粒子產生 從而在實驗中加以注意 進行檢驗 2 守恒與對稱的關系 1 所謂對稱 其本質也就是具有某種不變性 守恒定律來源于對稱 物理規(guī)律的每一種對稱 即不變性 通常都對應于一種守恒定律 對稱和守恒這兩個重要概念是緊密聯系在一起的 2 物理規(guī)律的對稱性就是某種物理狀態(tài)或過程在一定的變換下 例如轉動 平移等等 它所服從的物理規(guī)律不變 如圖所示 坡道頂端距水平面高度為h 質量為m1的小物塊A從坡道頂端由靜止滑下 進入水平面上的滑道時無機械能損失 為使A制動 將輕彈簧的一端固定在水平滑道延長線M處的墻上 另一端與質量為m2擋板B相連 彈簧處于原長時 B恰位于滑道的末端O點 A與B碰撞時間極短 碰后結合在一起共同壓縮彈簧 已知在OM段A B與水平面間的動摩擦因數均為 其余各處的摩擦不計 重力加速度為g 求 1 物塊A在與擋板B碰撞前瞬間速度v的大小 2 彈簧最大壓縮量為d時的彈性勢能Ep 設彈簧處于原長時彈性勢能為零 解析 1 由機械能守恒定律 有 v 2 A B在碰撞過程中內力遠大于外力 由動量守恒 有 m1v m1 m2 v A B克服摩擦力所做的功 W m1 m2 gd 由能量守恒定律 有 解得Ep gh m1 m2 gd 答案 1 2 gh m1 m2 gd 課堂訓練3 一輛小車靜止在光滑水平面上 小車立柱上拴有一根長為L的輕繩 輕繩末端拴著一個小球 如圖所示 現將小球拉至水平位置后自靜止釋放 小球擺動的過程中不計一切阻力 則下列說法中正確的是 D A 小球擺動過程中機械能守恒B 小球開始擺動后 小球和小車組成的系統(tǒng)機械能守恒 動量守恒C 小球開始擺動后 小球和小車組成的系統(tǒng)機械能不守恒 動量不守恒D 小球開始擺動后 小球達最大速度時小車也同時達最大速度 解析 在小球下擺過程中 因小車運動 輕繩懸點移動 輕繩對小球做功不為零 故小球的機械能不守恒 但小球和小車組成的系統(tǒng)機械能是守恒的 小球在豎直方向上的動量是變化的 而小車無豎直動量 故系統(tǒng)在豎直方向上動量不守恒 但水平方向因無外力作用 水平方向上系統(tǒng)動量是守恒的 故A B C均錯誤 小球在最低點時速度最大 由水平方向動量守恒可知 小車此時速度也為最大 故D正確