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§怎样运用动量原理解题

§3 怎样运用动量原理解题 动量原理表示式为: 当为恒力或变力的平均值时, 其分量式为: 一、 动量原理可以解决什么样的习题? 动量原理表示力对时间和累积作用,因此涉及了力作用了一段时间之后,运动状态发生了变化的动力学习题,就可以用它来解。 动量原理实为牛顿第二定律的积分形式,即它可从牛顿运动定律积分而得。因此在古典力学范畴里,凡是能用动量原理解的题,原则上都可应用牛顿运动定律来解决,但是动量原理是涉及运动物体始末两个状态物动量的矢量差,因此无无原则考虑物体的运动过程中受力情况的细节,从而使得问题的求解大为简化。这就是应用动量原理来解决某些力学问题的优越性。 二、应用天皇昌的注意事项 1、 冲量的方向 动量原理告诉我们:动量增量的方程是由冲量决定的,而冲量的方程又决定于力的方向。一个方向不变的力的方向,其方程显然就是这个力的方向。那么一般变力在时间内的冲量,其方向是否就是某一时刻的力的方程呢?一般是不一致的。必须明确,动量的增量(而不是动量)的方向是和冲量的方向始终一致的。因此,如果知道始末状态的动量,即可用矢量运算法则求出动量增量的方向,从而也就确定了冲量的方向。如果已知变力的分量,用积分法计算出各冲量的方向,从而求得冲量的方向。 2、 动量原理代数式中的符号 动量原理的矢量式可写为代数式: 当物体所受的外力和初动、末动量都 在同一直线上,动量原理的矢量式就退化为代数式: 应用代数式解题时,必须注意各量的符号,一定先要确定一个坐标的方向,然后把所有与坐标同方向的以正值代入公式,所有与坐标正方向反向的以负值代入公式;对方向不能确定的不可知量,可先假定它与坐标正方向同向,即取正值代入,如计算结果为正,说明假设正确,否则表明与坐标反向。 还应记住:动量的增量是末状态的动量与始状态的动量的差,而不是倒过来。 3、在动量原理的表达式中,各物体的速度必须相对于同一惯性参考系,如果所给条件中各物体的速度不是相对于惯性参考系或是不是相对于同一惯性参考系的话,则必须用经典速度合成法则变为对同一惯性参考系的速度。其次,在讲到两物体的相对速度时,必须指一个物体的速度相对于另一个物体在同一时刻的速度。不可误认为是相对于另一物体在另一时刻的速度。同时性问题对两个匀速运动的物体来说,当然没有什么重要,但对速度有剧变的问题,例如开炮问题、碰撞问题、抛物问题、火箭问题等等来说,都很重要。每当碰到相对速度,就应联想到同时性,不可忽略。 3、 当问题涉及到地球时,还应注意几点: 有人问,落体竖直碰到地面或障碍物时,落体本身的重力是否要考虑? 应用动量原理解题时,一般把地球从所考察的系统中分出来,即把重力作为外力。这在系统的受力分析时不能遗漏的。但在落体着地速度较大、碰撞时间很短的情况下,重力相对于冲击力的比值很小,因此可将重力的作用忽略不计,而不致影响答案的精确度。否则,仍无原则考虑重力的影响。 有人还问:如果把地球列入所考察的系统之内,即把重力作为内力,这时因为地球的质量极大。落体与之碰撞时,地球的速度变化甚小,可把地球的动量变化略去不计。对吗? 回答是否定的。让我们看一个例子: 一个球落到地面时的速度为,与地作完全弹性碰撞后向上回跳的速度应为,碰撞时对地球和地球组成的系统可应用动量守恒定律: 设球的质量为m,地球的质量为M,碰后地球因此而产生的速度是,则: 可见M极大,当然甚小,地球速度变化不明显。但地球所得的动量,在所研究的问题中是不可以忽略的。同时看到,地球的动能在碰撞前后均为;地球所获得的能量可以忽略。 同理地球角动量的变化也不可忽略。例如单摆在摆动过程中,把重力作为内力时,系统的总角动量守恒,单摆的角动量随时而变正说明地球的角动量的变化不可忽略。 [例1]A球撞击在光滑冰面上的B球,A球原来以30m/s的速度滑行,撞击后偏离原方向,B球则偏向(图2-3-1),A、B两球的质量相同。 1、 计算碰撞后每个球的速率;[ 2、 碰撞是完全弹性的吗?如果不是,A球“损失”原有的动能的几分之几? [解]把A、B两球看成一个系统;该系统所受的合外力等于零,因此动量守恒: 由此得               代入前式得:            碰撞前后的动能的变化为: 由此可见碰撞前后动能不守恒,因此碰撞不是完全弹性的,碰撞中损失了原来的动能的99%。 [讨论]如B球也偏了,则: 又由于         碰撞前后动能的变化为: 可见A、B两球偏离同样的角度也是非完全弹性碰撞。那么是否有对心碰撞而且碰撞才是完全弹性的呢?不是!当与间成直角,为直角三角形的斜边时,才符合完全弹性碰撞的条件。 [例2]跳伞运动员从飞机上跳下来,不是立即张开降落伞而是经过一定时间后才张开,跳伞员受到很大的冲力。如不张伞时下降的最后速度为50m/s,而在伞完全张开后的速度为5m/s,张伞的

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