浅谈运用动量守恒定律解题时要注意的几个问题
浅谈运用动量守恒定律解题时要注意的几个问题
【摘 要】本文介绍了运用动量守恒定律解题时要注意的几个问题,着重从动量守恒定律的数学表达式,适用条件,矢量性、相对性、同时性和动量守恒定律一个重要结论及应用等去探讨。
【关键词】动量守恒定律 解题 问题
【中图分类号】G632 【文献标识码】A 【文章编号】1674-4810(2011)02-0153-02
动量守恒定律是自然界普遍适用的基本规律之一,也是解题的好方法。理解动量守恒定律的内容和适用条件,能准确、熟练地运用动量守恒定律解决有关问题,必须要注意以下几个问题:
一 理解好动量守恒定律的数学表达式
数学表达式有助于同学们记忆和理解,可以分为三点:(1) ,系统相互作用前的总动量P 等于相互作用后的总动量P′,即 ;(2)Δ ,表示系统总动量的增量为零;(3)ΔP1=ΔP2,表示相互作用的两个物体组成的系统,一个物体动量的增加量等于另一个物体动量的减少量。
二 理解好适用条件
适用条件有三种情形:第一种情形是系统不受外力或系统所受外力的合力为零;第二种情形是系统所受合外力不为零,但若内力远大于外力,且作用时间极短时,可近似的运用动量守恒定律,例如碰撞过程中的摩擦力,爆炸过程中的重力等,外力比起相互作用的内力来要小得多,可以忽略不计;第三种情形是系统所受合外力不等于零,但在某个方向上的合外力为零,则这个方向的动量守恒。 例1:如图1所示,总质量为M 的小沙车,以向右的水平速度 在光滑水平面上匀速运动,途中有一质量为m 的铁球从h 高处自由下落,刚好落在沙车上,则球与沙车相对静止时,车的速度为多少?
解析:球与小沙车的作用过程,以球和小车为系统,显然在竖直方向上合外力不为零,但系统水平方向所受的合外力为零,则系统水平方向上的动量守恒,即:
三 矢量性
速度是矢量,动量也是矢量,动量守恒是指系统内各部分动量的矢量和保持不变,动量的运算服从矢量运算规则,要按平行四边形法则进行,如果物体运动在一条直线上,在选定一个正方向以后,根据各部分动量的方向和正方向的关系,动量的运算就可以简化为代数运算,而不能简单地求和。运用动量守恒定律时,千万要注意物体运动的方向,解题要先确立速度的正方向,和规定方向相同
时为正,相反时为负,如不能确定,则必须讨论动量的可能值。
例2:A 、B 两球在光滑水平面上沿同一直线、同一方向运动,A 球的动量5kg?m/s,B 球的动量是7kg?m/s,A 球追上B 球时发生碰撞,则碰撞后A 、B 两球的动量值可能是( )。
解析:光滑水平面上两球相碰前后总动量守恒,A 、B 两球的动量变化必等值反向,即:ΔPA=ΔPB或P′A-PA =-(PB -PB ),式中带撇的表示每球碰后动量。若A 球追上B 球,碰后A 球仍按原方向(设为正方向)运动,则A 球的动量必减小,B 球的动量将增大,且A 球动量的减少量一定等于B 球的增加量,故A 不正确,B 正确。
若A 球追上B 球,碰后A 球反弹,即A 球的动量变为负值,对应于C 、D 两情况,在情况C 中。
四 相对性也即参考系的同一性
动量守恒定律中的每一项动量或者是每一个运动速度,都应是相对于同一惯性参考系而言(一般都以地球为参考系),否则系统的动量就不可能守恒。若题目中给出的是物体间的相对速度,要进行参考系的变换。
例3:质量为M 的火箭原来以速度 飞行在太空中,现在突然向后喷出一份质量为Δm的气体,喷出的气体相对于火箭的速率是 ,求喷气后火箭的速率。 解析:火箭喷出气体的速度是以喷出气体后以速度 运动的火箭为参考系的。因此,喷出的气体相对于地面的速度是:
五 同时性
系统由相互作用前的初状态变化到末状态,经历的过程有时是较复杂的,要能准确地对全过程进行分析。列动量守恒方程时,应为同一时刻的动量之和,不能把不同时刻的动量相加,即碰撞前总动量等于碰撞前各物体动量之和,碰撞后总动量等于碰撞后各物体的动量之和。
六 动量守恒定律的一个重要结论及应用
牛顿定律告诉我们一个物体所受合外力为零,则其质心(即质量中心,一般认为与重心重合)就保持静止或匀速直线运动状态不变,由此可推广到物体系统上去,一个系统受到合外力为零,尽管其内力发生相互作用,各物体运动状态不同,但系统的质心应保持静止或匀速直线运动(状态)不变。
当一个系统受到合外力为零时,系统的总动量守恒,系统重心的速度将保持不变,若系统在某一方向中受到的合外力为零,则系统在该方向上的动量守恒,系统的重心在这一方向上的速度不变,这是关于动量守恒的一个重要结论。用这一结论去解决某些问题,会显得十分简便。
例4:如图2所示,质量为m 的小孩站在质量为M 的小车的右端,处于静止状态,已知车的长度为L ,则当小孩走到小车的左端时小车将向右移动多少距离?(忽略小车运动时受到的阻力)。
解析:如图3所示,设小车的重心在a 线上,人的重心在b 线上,系统的重心在c 线上,a 、c 的间距为x ,,所以 。因为系统原来静止,受到的合外力为零,则系统重心的速度为零,重心位置没有移动,人走到小车的左端时,根据对称性小车的重心将由a 向右移动到a′ 处,移动的距离
例5:如图4所示,质量为M 的密闭气缸置于光滑水平面上,缸内设一隔板P ,隔板右是真空,隔板左是质量为m 的高压气体,若将隔板突然抽去,则气缸的运动情况是( )。
A .保持静止不动;
B .向左移动一定距离后回复静止;
C .向左移动一定距离后继而做匀速直线运动;
D .先向左移动,后向右移动回到原来的位置。
解析:抽去隔板前后,系统所受合外力皆为零,因此系统合质心位置始终保持不变。抽去隔板以后,气体向右扩散,气体质心右移,为保持系统合质心位置不变,气缸质心必左移,当整个气缸充满气体而停止扩散时,气缸也就停止了向左的移动而静止,应选B 。
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