本节是继动量守恒定律之后的习题课.主要巩固所学知识,学会在不同条件下,熟练灵活的运用动量守恒定律解释一些碰撞现象,并能利用动量守恒定律熟练的解决相关习题.
1、讨论动量守恒的基本条件
例1、在光滑水平面上有一个弹簧振子系统,如图所示,两振子的质量分别为m1和m2.讨论此系统在振动时动量是否守恒?
分析:由于水平面上无摩擦,故振动系统不受外力(竖直方向重力与支持力平衡),所以此系统振动时动量守恒,即向左的动量与向右的动量大小相等.
例2、接上题,若水平地面不光滑,两振子的动摩擦因数μ相同,讨论m1=m2和m1≠m2两种情况下振动系统的动量是否守恒.
分析:m1和m2所受摩擦力分别为f1=μm1g和f2=μm2g.由于振动时两振子的运动方向总是相反的,所以f1和f2的方向总是相反的.
对m1和m2振动系统来说合外力∑F外=f1+f2,但注意是矢量合.实际运算时为
∑F外=μm1g-μm2g
显然,若m1=m2,则∑F外=0,则动量守恒;
若m1≠m2,则∑F外≠0,则动量不守恒.
向学生提出问题:
(1)m1=m2时动量守恒,那么动量是多少?
(2)m1≠m2时动量不守恒,那么振动情况可能是怎样的?
与学生共同分析:
(1) m1=m2时动量守恒,系统的总动量为零.开始时(释放振子时)p=0,此后振动时,当p1和p2均不为零时,它们的大小是相等的,但方向是相反的,所以总动量仍为零.
数学表达式可写成:
m1v1=m2v2
(2) m1≠m2时∑F外=μ(m1-m2)g.其方向取决于m1和m2的大小以及运动方向.比如m1>m2,一开始m1向右(m2向左)运动,结果系统所受合外力∑F方向向左(f1向左,f2向右,而且f1>f2).结果是在前半个周期里整个系统一边振动一边向左移动.
进一步提出问题:(如果还没有学过机械能守恒此部分可省略)
在m1=m2的情况下,振动系统的动量守恒,其机械能是否守恒?
分析:振动是动能和弹性势能间的能量转化.但由于有摩擦存在,在动能和弹性势能往复转化的过程中势必有一部分能量变为热损耗,直至把全部原有的机械能都转化为热,振动停止.所以虽然动量守恒(p=0),但机械能不守恒.(从振动到不振动)
2、学习设置正方向,变一维矢量运算为代数运算
例3、抛出的手雷在最高点时水平速度为10m/s,这时突然炸成两块,其中大块质量300g仍按原方向飞行,其速度测得为50m/s,另一小块质量为200g,求它的速度的大小和方向.
分析:手雷在空中爆炸时所受合外力应是它受到的重力G=(m1+m2)g,可见系统的动量并不守恒.但在水平方向上可以认为系统不受外力,所以在水平方向上动量是守恒的.
强调:正是由于动量是矢量,所以动量守恒定律可在某个方向上应用.
那么手雷在以10m/s飞行时空气阻力(水平方向)是不是应该考虑呢?
(上述问题学生可能会提出,若学生没有提出,教师应向学生提出.)
一般说当v=10m/s时空气阻力是应考虑,但爆炸力(内力)比这一阻力大的多,所以这一瞬间空气阻力可以不计.即当内力远大于外力时,外力可以不计,系统的动量近似守恒.
板书:F内>>F外时p′≈p.
解题过程:
设手雷原飞行方向为正方向,则v0=10m/s,m1的速度v1=50m/s,m2的速度方向不清,暂设为正方向.
板书:
设原飞行方向为正方向,则v0=10m/s,v1=50m/s;m1=0.3kg,m2=0.2kg.
系统动量守恒:
(m1+m2)v0=m1v1+m2v2
此结果表明,质量为200克的部分以50m/s的速度向反方向运动,其中负号表示与所设正方向相反.
例4、机关枪重8kg,射出的子弹质量为20克,若子弹的出口速度是1 000m/s,则机枪的后退速度是多少?
分析:在水平方向火药的爆炸力远大于此瞬间机枪受的外力(枪手的依托力),故可认为在水平方向动量守恒.即子弹向前的动量等于机枪向后的动量,总动量维持“零”值不变.
板书:
设子弹速度v,质量m;机枪后退速度V,质量M.则由动量守恒有
MV=mv
小结:上述两例都属于“反冲”和“爆炸”一类的问题,其特点是F内>>F外,系统近似动量守恒
例5、讨论质量为mA的球以速度v0去碰撞静止的质量为mB的球后,两球的速度各是多少?设碰撞过程中没有能量损失,水平面光滑.
设A球的初速度v0的方向为正方向.
由动量守恒和能量守恒可列出下述方程:
mAv0=mAvA+mBvB ①
解方程①和②可以得到
引导学生讨论:
(1)由vB表达式可知vB恒大于零,即B球肯定是向前运动的,这与生活中观察到的各种现象是吻合的.
(2)由vA表达式可知当mA>mB时,vA>0,即碰后A球依然向前滚动,不过速度已比原来小了 。当 时, ,即碰后A球反弹,且一般情况下速度也小于v0了.当mA=mB时,vA=0,vB=v0,这就是刚才看到的实验,即A、B两球互换动量的情形.
(3)讨论极端情形:若mB→∞时,vA=-v0,即原速反弹;而vB→0,即几乎不动.这就好像是生活中的小皮球撞墙的情形.(在热学部分中气体分子