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

第四節(jié)反沖運(yùn)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(xué)習(xí)目標(biāo) 1 認(rèn)識反沖運(yùn)動 能舉出幾個反沖運(yùn)動的實例 2 結(jié)合動量守恒定律對反沖現(xiàn)象做出解釋 進(jìn)一步提高運(yùn)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(yùn)動 1 兩位同學(xué)在公園里劃船 租船的時間將到 他們把小船劃向碼頭 當(dāng)小船離碼頭大約1 5m左右時 有一位同學(xué)心想 自己在體育課上立定跳遠(yuǎn)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(jié)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(xué)與船 包括船上的同學(xué) 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(yùn)動 欄目鏈接 1 定義 當(dāng)原來靜止或運(yùn)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(yùn)動 這種運(yùn)動叫反沖運(yùn)動 2 反沖運(yùn)動的特點(diǎn) 1 物體的不同部分在內(nèi)力作用下向相反方向運(yùn)動 2 反沖運(yùn)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(yùn)動中常伴有其他形式的能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能 系統(tǒng)的總能量增加 欄目鏈接 3 求解反沖運(yùn)動應(yīng)注意的問題 1 速度的反向性 對于原來靜止的系統(tǒng) 當(dāng)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(yùn)動方向必然相反 進(jìn)行計算時 可任意規(guī)定某一部分的運(yùn)動方向為正方向 則反方向的另一部分的速度應(yīng)取負(fù)值 2 速度的同時性 反沖運(yùn)動問題中 根據(jù)動量守恒定律列出的方程中同一狀態(tài)的速度應(yīng)是同時的 欄目鏈接 3 速度的相對性 反沖運(yùn)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(yīng)先將相對速度轉(zhuǎn)換成對地的速度后 再列動量守恒定律方程 4 變質(zhì)量問題 在反沖運(yùn)動中還常遇到變質(zhì)量物體的運(yùn)動 如在火箭的運(yùn)動過程中 隨著燃料的消耗 火箭本身的質(zhì)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(nèi)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(jìn)行研究 欄目鏈接 一火箭噴氣發(fā)動機(jī)每次噴出m 200g的氣體 氣體離開發(fā)動機(jī)噴出時的速度v 1000m s 設(shè)火箭質(zhì)量M 300kg 發(fā)動機(jī)每秒鐘噴氣20次 1 當(dāng)?shù)谌螄姵鰵怏w后 火箭的速度多大 2 運(yùn)動第1s末 火箭的速度多大 解析 火箭噴氣屬反沖現(xiàn)象 火箭和氣體組成的系統(tǒng)動量守恒 運(yùn)用動量守恒定律求解 1 選取整體為研究對象 運(yùn)用動量守恒定律求解 欄目鏈接 設(shè)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(jù)動量守恒定律得 M 3m v3 3mv 0 故v3 2m s 2 發(fā)動機(jī)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(jù)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(xùn)練1 一門舊式大炮 炮身的質(zhì)量M 1000kg 水平發(fā)射一枚質(zhì)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(shè)炮彈飛出的方向為正方向 則得 Mv1 mv2 0 故v1 1 5m s 負(fù)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(yùn)動的時間和運(yùn)動狀態(tài)無關(guān) 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(zhì)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(guān)鍵 1 利用動量守恒 確定兩物體速度關(guān)系 再確定兩物體通過的位移關(guān)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(zhì)量成反比 欄目鏈接 所以全過程的平均速度也與質(zhì)量成反比 進(jìn)而可得兩物體的位移大小與各物體的質(zhì)量成反比 即 2 解題時要畫出各物體的位移關(guān)系草圖 找出各長度間的關(guān)系 3 注意 1 人船模型 問題中 兩物體的運(yùn)動特點(diǎn)是 人 走 船 行 人 停 船 停 2 在求解過程中應(yīng)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(zhì)量m 60kg 船的質(zhì)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(shè)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(yùn)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(jié) 動量守恒定律是瞬時關(guān)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(xùn)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(shè)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(dāng)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(shè)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(dāng)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(xué)問題有哪幾種基本觀點(diǎn) 提示 解決動力學(xué)問題的三個基本觀點(diǎn) 1 力的觀點(diǎn) 牛頓運(yùn)動定律結(jié)合運(yùn)動學(xué)規(guī)律解題 2 動量觀點(diǎn) 用動量定理和動量守恒定律解題 3 能量觀點(diǎn) 用動能定理和能量轉(zhuǎn)化守恒定律解題 欄目鏈接 1 守恒定律的特點(diǎn) 1 守恒定律并不告訴我們物體狀態(tài)變化的全部細(xì)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(yīng)滿足什么樣的關(guān)系 即在符合守恒條件時 可以不分析系統(tǒng)內(nèi)相互作用過程的細(xì)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(xué)中各種各樣的守恒定律 本質(zhì)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(jié)論 當(dāng)兩個亞原子微粒碰撞時 由于對碰撞過程中的各種細(xì)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(zhǔn)確預(yù)知碰撞的結(jié)果 但卻可以根據(jù)能量與動量守恒推斷碰撞后是否會有未觀察到的粒子產(chǎn)生 從而在實驗中加以注意 進(jìn)行檢驗 2 守恒與對稱的關(guān)系 1 所謂對稱 其本質(zhì)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(yīng)于一種守恒定律 對稱和守恒這兩個重要概念是緊密聯(lián)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(zhuǎn)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(zhì)量為m1的小物塊A從坡道頂端由靜止滑下 進(jìn)入水平面上的滑道時無機(jī)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(zhì)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(diǎn) A與B碰撞時間極短 碰后結(jié)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(shù)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(shè)彈簧處于原長時彈性勢能為零 解析 1 由機(jī)械能守恒定律 有 v 2 A B在碰撞過程中內(nèi)力遠(yuǎn)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(xùn)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(xiàn)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(jī)械能守恒B 小球開始擺動后 小球和小車組成的系統(tǒng)機(jī)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(jī)械能不守恒 動量不守恒D 小球開始擺動后 小球達(dá)最大速度時小車也同時達(dá)最大速度 解析 在小球下擺過程中 因小車運(yùn)動 輕繩懸點(diǎn)移動 輕繩對小球做功不為零 故小球的機(jī)械能不守恒 但小球和小車組成的系統(tǒng)機(jī)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(diǎn)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