
第1講 動(dòng)量定理及應(yīng)用
1.能用動(dòng)量定理解釋生活中的有關(guān)現(xiàn)象.2.能利用動(dòng)量定理解決相關(guān)問題,會(huì)在流體力學(xué)中建立“柱狀”模型.
考點(diǎn)二 動(dòng)量定理的理解和應(yīng)用
考點(diǎn)三 應(yīng)用動(dòng)量定理處理“流體模型”的沖擊力問題
1.動(dòng)量(1)定義:物體的 和 的乘積.(2)表達(dá)式:p= .(3)方向:與 的方向相同.2.動(dòng)量的變化(1)動(dòng)量是矢量,動(dòng)量的變化量Δp也是 ,其方向與________________的方向相同.(2)動(dòng)量的變化量Δp,一般用末動(dòng)量p′減去初動(dòng)量p進(jìn)行矢量運(yùn)算,也稱為動(dòng)量的增量.即Δp= .
3.沖量(1)定義: 與 的乘積叫作力的沖量.(2)公式: .(3)單位: .(4)方向:沖量是 ,其方向與 相同.
1.物體的速度大小不變,其動(dòng)量不變.( )2.物體所受合力不變,其動(dòng)量也不變.( )3.物體沿水平面運(yùn)動(dòng)時(shí),重力不做功,其沖量為零.( )4.兩物體動(dòng)量大的動(dòng)能不一定大.( )
2.沖量的計(jì)算方法(1)恒力的沖量:直接用定義式I=Ft計(jì)算.(2)變力的沖量①作出F-t圖線,圖線與t軸所圍的面積即為變力的沖量,如圖所示.②對(duì)于易確定始、末時(shí)刻動(dòng)量的情況,可用動(dòng)量定理求解.
例1 (多選)在光滑水平面上,原來靜止的物體在水平力F的作用下,經(jīng)過時(shí)間t、通過位移L后動(dòng)量變?yōu)閜、動(dòng)能變?yōu)镋k.以下說法正確的是A.在F作用下,若這個(gè)物體經(jīng)過位移2L,其動(dòng)量等于2pB.在F作用下,若這個(gè)物體經(jīng)過位移2L,其動(dòng)能等于2EkC.在F作用下,若這個(gè)物體經(jīng)過時(shí)間2t,其動(dòng)能等于2EkD.在F作用下,若這個(gè)物體經(jīng)過時(shí)間2t,其動(dòng)量等于2p
考向1 動(dòng)量與動(dòng)能的比較
例2 如圖所示,質(zhì)量為m的滑塊沿傾角為θ的固定斜面向上滑動(dòng),經(jīng)過時(shí)間t1,速度為零并又開始下滑,經(jīng)過時(shí)間t2回到斜面底端,滑塊在運(yùn)動(dòng)過程中受到的摩擦力大小始終為Ff,重力加速度為g.在整個(gè)運(yùn)動(dòng)過程中,下列說法正確的是A.重力對(duì)滑塊的總沖量為mg(t1+t2)sin θB.支持力對(duì)滑塊的總沖量為mg(t1+t2)cs θC.合外力的沖量為0D.摩擦力的總沖量為Ff(t1+t2)
考向2 恒力沖量的計(jì)算
重力對(duì)滑塊的總沖量為mg(t1+t2),A項(xiàng)錯(cuò)誤;支持力對(duì)滑塊的總沖量為mg(t1+t2)cs θ,B項(xiàng)正確;整個(gè)過程中滑塊的動(dòng)量發(fā)生了改變,故合外力的總沖量不為0,C項(xiàng)錯(cuò)誤;上滑過程和下滑過程摩擦力的方向相反,故若以沿斜面向上為正方向,摩擦力的總沖量為Ff(t2-t1),D項(xiàng)錯(cuò)誤.
例3 一質(zhì)點(diǎn)靜止在光滑水平面上,現(xiàn)對(duì)其施加水平外力F,力F隨時(shí)間按正弦規(guī)律變化,如圖所示,下列說法正確的是A.第2 s末,質(zhì)點(diǎn)的動(dòng)量為0B.第2 s末,質(zhì)點(diǎn)的動(dòng)量方向發(fā)生變化C.第4 s末,質(zhì)點(diǎn)回到出發(fā)點(diǎn)D.在1~3 s時(shí)間內(nèi),力F的沖量為0
考向3 利用F-t圖像求沖量
由題圖可知,0~2 s時(shí)間內(nèi)F的方向和質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)的方向相同,質(zhì)點(diǎn)經(jīng)歷了加速度逐漸增大的加速運(yùn)動(dòng)和加速度逐漸減小的加速運(yùn)動(dòng),所以第2 s末,質(zhì)點(diǎn)的速度最大,動(dòng)量最大,方向不變,故選項(xiàng)A、B錯(cuò)誤;
2~4 s內(nèi)F的方向與0~2 s內(nèi)F的方向不同,該質(zhì)點(diǎn)0~2 s內(nèi)做加速運(yùn)動(dòng),2~4 s內(nèi)做減速運(yùn)動(dòng),所以質(zhì)點(diǎn)在0~4 s內(nèi)的位移均為正,第4 s末沒有回到出發(fā)點(diǎn),故選項(xiàng)C錯(cuò)誤;
在F-t圖像中,圖線與橫軸所圍的面積表示力F的沖量,由題圖可知,1~2 s內(nèi)的面積與2~3 s內(nèi)的面積大小相等,一正一負(fù),則在1~3 s時(shí)間內(nèi),力F的沖量為0,故選項(xiàng)D正確.
1.內(nèi)容:物體在一個(gè)過程中所受力的沖量等于它在這個(gè)過程始末的_____ .2.公式: 或 .
1.物體所受合外力的沖量方向與物體動(dòng)量變化量的方向是一致的.( )2.動(dòng)量定理描述的是某一狀態(tài)的物理規(guī)律.( )3.運(yùn)動(dòng)員接籃球時(shí)手向后緩沖一下,是為了減小動(dòng)量的變化量.( )
1.對(duì)動(dòng)量定理的理解(1)Ft=p′-p是矢量式,兩邊不僅大小相等,而且方向相同.式中Ft是物體所受的合外力的沖量.(2)Ft=p′-p除表明兩邊大小、方向的關(guān)系外,還說明了兩邊的因果關(guān)系,即合外力的沖量是動(dòng)量變化的原因.(3)由Ft=p′-p,得F= ,即物體所受的合外力等于物體動(dòng)量的變化率.(4)當(dāng)物體運(yùn)動(dòng)包含多個(gè)不同過程時(shí),可分段應(yīng)用動(dòng)量定理求解,也可以全過程應(yīng)用動(dòng)量定理.
2.解題基本思路(1)確定研究對(duì)象.(2)對(duì)物體進(jìn)行受力分析.可先求每個(gè)力的沖量,再求各力沖量的矢量和——合力的沖量;或先求合力,再求其沖量.(3)抓住過程的初、末狀態(tài),選好正方向,確定各動(dòng)量和沖量的正負(fù)號(hào).(4)根據(jù)動(dòng)量定理列方程,如有必要還需要補(bǔ)充其他方程,最后代入數(shù)據(jù)求解.
例4 (2020·全國(guó)卷Ⅰ·14)行駛中的汽車如果發(fā)生劇烈碰撞,車內(nèi)的安全氣囊會(huì)被彈出并瞬間充滿氣體.若碰撞后汽車的速度在很短時(shí)間內(nèi)減小為零,關(guān)于安全氣囊在此過程中的作用,下列說法正確的是A.增加了司機(jī)單位面積的受力大小B.減少了碰撞前后司機(jī)動(dòng)量的變化量C.將司機(jī)的動(dòng)能全部轉(zhuǎn)換成汽車的動(dòng)能D.延長(zhǎng)了司機(jī)的受力時(shí)間并增大了司機(jī)的受力面積
考向1 用動(dòng)量定理解釋生活中的現(xiàn)象
汽車劇烈碰撞瞬間,安全氣囊彈出,立即跟司機(jī)身體接觸.司機(jī)在很短時(shí)間內(nèi)由運(yùn)動(dòng)到靜止,動(dòng)量的變化量是一定的,由于安全氣囊的存在,作用時(shí)間變長(zhǎng),據(jù)動(dòng)量定理Δp=FΔt知,司機(jī)所受作用力減??;又知安全氣囊打開后,司機(jī)受力面積變大,因此減小了司機(jī)單位面積的受力大??;碰撞過程中,動(dòng)能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能.綜上可知,選項(xiàng)D正確.
例5 高空作業(yè)須系安全帶.如果質(zhì)量為m的高空作業(yè)人員不慎跌落,從開始跌落到安全帶對(duì)人剛產(chǎn)生作用力前,人下落的距離為h(可視為自由落體運(yùn)動(dòng)),此后經(jīng)歷時(shí)間t安全帶達(dá)到最大伸長(zhǎng)量,若在此過程中該作用力始終豎直向上.重力加速度為g,忽略空氣阻力,則該段時(shí)間安全帶對(duì)人的平均作用力大小為
考向2 動(dòng)量定理的有關(guān)計(jì)算
例6 (2022·云南省玉溪第一中學(xué)高三月考)將質(zhì)量為m=1 kg的物塊置于水平地面上,已知物塊與水平地面間的動(dòng)摩擦因數(shù)為μ=0.5,現(xiàn)在物塊上施加一個(gè)平行于水平地面的恒力F=10 N,物體由靜止開始運(yùn)動(dòng),作用4 s后撤去F.已知g=10 m/s2,對(duì)于物塊從靜止開始到物塊停下這一過程下列說法正確的是A.整個(gè)過程物塊運(yùn)動(dòng)的時(shí)間為6 sB.整個(gè)過程物塊運(yùn)動(dòng)的時(shí)間為8 sC.整個(gè)過程中物塊的位移大小為40 mD.整個(gè)過程中物塊的位移大小為60 m
考向3 動(dòng)量定理在多過程中的應(yīng)用
在整個(gè)過程中由動(dòng)量定理得Ft1-μmgt=0,解得t=8 s,選項(xiàng)A錯(cuò)誤,B正確;
應(yīng)用動(dòng)量定理處理“流體模型”的沖擊力問題
例7 為估算池中睡蓮葉面承受雨滴撞擊產(chǎn)生的平均壓強(qiáng),小明在雨天將一圓柱形水杯置于露臺(tái),測(cè)得1小時(shí)內(nèi)杯中水位上升了45 mm.查詢得知,當(dāng)時(shí)雨滴豎直下落速度約為12 m/s,據(jù)此估算該壓強(qiáng)約為(設(shè)雨滴撞擊睡蓮后無(wú)反彈,不計(jì)雨滴重力,雨水的密度為1×103 kg/m3) Pa Pa C.1.5 Pa D.5.4 Pa
考向1 應(yīng)用動(dòng)量定理處理流體類問題
例8 宇宙飛船在飛行過程中有很多技術(shù)問題需要解決,其中之一就是當(dāng)飛船進(jìn)入宇宙微粒塵區(qū)時(shí),如何保持速度不變的問題.假設(shè)一宇宙飛船以v=2.0×103 m/s的速度進(jìn)入密度ρ=2.0×10-6 kg/m3的微粒塵區(qū),飛船垂直于運(yùn)動(dòng)方向上的最大橫截面積S=5 m2,且認(rèn)為微粒與飛船相碰后都附著在飛船上,則飛船要保持速度v不變,所需推力多大?
考向2 應(yīng)用動(dòng)量定理處理微粒類問題
設(shè)飛船在微粒塵區(qū)的飛行時(shí)間為Δt,則在這段時(shí)間內(nèi)附著在飛船上的微粒質(zhì)量Δm=ρSvΔt微粒由靜止到與飛船一起運(yùn)動(dòng),微粒的動(dòng)量增加,由動(dòng)量定理得FΔt=Δmv=ρSvΔtv所以飛船所需推力大小F′=F=ρSv2=2.0×10-6×5×(2.0×103)2 N=40 N.
1.對(duì)于一定質(zhì)量的某物體而言,下列關(guān)于動(dòng)能和動(dòng)量的關(guān)系正確的是A.物體的動(dòng)能改變,其動(dòng)量不一定改變B.物體動(dòng)量改變,則其動(dòng)能一定改變C.物體的速度不變,則其動(dòng)量不變,動(dòng)能也不變D.動(dòng)量是標(biāo)量,動(dòng)能是矢量
物體的動(dòng)能改變,則物體的速度大小一定改變,則其動(dòng)量一定改變,A錯(cuò)誤;動(dòng)量表達(dá)式為p=mv,動(dòng)量改變可能只是速度方向改變,其動(dòng)能不一定改變,故B錯(cuò)誤;物體的速度不變,則其動(dòng)量不變,動(dòng)能也不變,C正確;動(dòng)量是矢量,動(dòng)能是標(biāo)量,D錯(cuò)誤.
2.人從高處跳到低處,為了安全,一般都是腳尖先著地,這樣做的目的是A.減小著地時(shí)所受沖量B.使動(dòng)量增量變得更小C.增大人對(duì)地面的壓強(qiáng),起到安全作用D.延長(zhǎng)與地面的作用時(shí)間,從而減小地面對(duì)人的作用力
人在和地面接觸時(shí),人的速度減為零,由動(dòng)量定理可知(F-mg)t=mv,而腳尖著地可以增加人與地面的作用時(shí)間,由公式可知可以減小所受地面的沖擊力.故選D.
3.用細(xì)繩拴一小球在豎直面內(nèi)做圓周運(yùn)動(dòng),從A點(diǎn)再次轉(zhuǎn)到A點(diǎn)的過程中,不計(jì)空氣阻力,下列說法正確的是A.合力的沖量為0B.合力的沖量不為0C.重力的沖量為0D.繩中拉力的沖量大小大于重力的沖量大小
根據(jù)動(dòng)量定理可知,合力的沖量等于動(dòng)量的變化量,小球從A點(diǎn)再次轉(zhuǎn)到A點(diǎn)的過程中,動(dòng)量變化為零,則合外力的沖量為0,選項(xiàng)A正確,B錯(cuò)誤;重力的沖量為mgt,不為0,選項(xiàng)C錯(cuò)誤;合外力的沖量等于拉力和重力的沖量的矢量和,合外力的沖量為0,則繩中拉力的沖量大小等于重力的沖量大小,選項(xiàng)D錯(cuò)誤.
4.(2022·山東煙臺(tái)市期中)跳水運(yùn)動(dòng)一直是我國(guó)傳統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)體育項(xiàng)目,我們的國(guó)家跳水隊(duì)享有“夢(mèng)之隊(duì)”的贊譽(yù).在某次訓(xùn)練中,跳水運(yùn)動(dòng)員在跳臺(tái)上由靜止開始豎直落下,進(jìn)入水中后在水中做減速運(yùn)動(dòng),速度減為零時(shí)并未到達(dá)池底.不計(jì)空氣阻力,下列說法正確的是A.運(yùn)動(dòng)員在空中運(yùn)動(dòng)時(shí),其動(dòng)量變化量大于重力的沖量B.運(yùn)動(dòng)員從剛進(jìn)入水中到速度減為零的過程中,其重力的沖量等于水的作用 力的沖量C.運(yùn)動(dòng)員從開始下落到速度減為零的過程中,其動(dòng)量的改變量等于水的作用 力的沖量D.運(yùn)動(dòng)員從開始下落到速度減為零的過程中,其重力的沖量與水的作用力的 沖量等大反向
運(yùn)動(dòng)員在空中運(yùn)動(dòng)過程中只受重力作用,根據(jù)動(dòng)量定理可知運(yùn)動(dòng)員在空中動(dòng)量的變化量等于重力的沖量,故A錯(cuò)誤;運(yùn)動(dòng)員在水中運(yùn)動(dòng)過程中受到重力和水對(duì)他的作用力,動(dòng)量的變化量方向向上,則其重力的沖量小于水的作用力的沖量,故B錯(cuò)誤;整個(gè)過程根據(jù)動(dòng)量定理可得I=mΔv=0,故運(yùn)動(dòng)員整個(gè)向下運(yùn)動(dòng)過程中合外力的沖量為零,故C錯(cuò)誤;整個(gè)過程根據(jù)動(dòng)量定理可得I=IG+I(xiàn)F=mΔv=0,所以IG=-IF,即運(yùn)動(dòng)員整個(gè)運(yùn)動(dòng)過程中重力的沖量與水的作用力的沖量等大反向,故D正確.
5.如圖所示,質(zhì)量為0.2 kg的帶有遮光條的滑塊在氣墊導(dǎo)軌上,從光電門的左側(cè)向右運(yùn)動(dòng),撞到右側(cè)擋板經(jīng)0.2 s后彈回,測(cè)量顯示滑塊兩次經(jīng)過光電門時(shí)遮光條的遮光時(shí)間分別是0.002 s和0.003 s,已知遮光條寬度為1.2 cm,取向右為正方向,則滑塊受到擋板的平均作用力大小是A.4 N B.6 N C.10 N D.20 N
6.(2022·山東省日照一中月考)質(zhì)量m=1 kg的物體在合外力F的作用下從靜止開始做直線運(yùn)動(dòng).物體所受的合外力F隨時(shí)間t變化圖像如圖所示.下列說法正確的是A.物體先做勻加速直線運(yùn)動(dòng),再做加速度減小的減速 運(yùn)動(dòng)B.4 s末物體的速度為零C.0~6 s內(nèi)合外力的沖量為8 N·sD.0~6 s內(nèi)合外力做功為8 J
由題圖可知,0~4 s內(nèi)合外力方向不變,則物體先做勻加速直線運(yùn)動(dòng),再做加速度減小的加速運(yùn)動(dòng),最后做加速度增大的減速運(yùn)動(dòng),故A錯(cuò)誤;
由題圖可知,0~4 s內(nèi)合外力方向不變,則物體一直做加速運(yùn)動(dòng),4 s末物體的速度不為0,故B錯(cuò)誤;
F-t圖線與橫坐標(biāo)軸所圍面積表示合外力的沖量,0~2 s合外力沖量為I1=2×2 N·s=4 N·s,2~6 s合外力的沖量為0,則0~6 s內(nèi)合外力的沖量為4 N·s,故C錯(cuò)誤;
0~2 s內(nèi),由動(dòng)量定理可得I1=mv1,即mv1=4 kg·m/s,此時(shí)的動(dòng)能為Ek= =8 J,由于2~6 s合外力的沖量為0,即動(dòng)量不變,則動(dòng)能也不變,所以0~6 s內(nèi)合外力做功為8 J,故D正確.
7.人們對(duì)手機(jī)的依賴性越來越強(qiáng),有些人喜歡躺著看手機(jī),經(jīng)常出現(xiàn)手機(jī)砸傷眼睛的情況.若手機(jī)質(zhì)量為150 g,從離人眼約20 cm的高度無(wú)初速度掉落,砸到眼睛后手機(jī)未反彈,眼睛受到手機(jī)的沖擊時(shí)間約為0.1 s,取重力加速度g=10 m/s2,下列分析正確的是A.手機(jī)與眼睛作用過程中動(dòng)量變化量大小約為0.45 kg·m/sB.手機(jī)對(duì)眼睛的沖量大小約為0.1 N·sC.手機(jī)對(duì)眼睛的沖量大小約為0.3 N·sD.手機(jī)對(duì)眼睛的作用力大小約為4.5 N
20 cm=0.20 m;150 g=0.15 kg;根據(jù)自由落體運(yùn)動(dòng)規(guī)律有v= =2 m/s,手機(jī)與眼睛作用后手機(jī)的速度變成0,選取向上為正方向,所以手機(jī)與眼睛作用過程中動(dòng)量變化為Δp=0-m(-v)=-0.15×(-2) kg·m/s=0.30 kg·m/s,故A錯(cuò)誤;
手機(jī)與眼接觸的過程中受到重力與眼睛對(duì)它的作用力,則Iy-mgt=Δp,代入數(shù)據(jù)可得Iy=0.45 N·s,手機(jī)對(duì)眼睛的作用力與眼睛對(duì)手機(jī)的作用力大小相等,方向相反,作用的時(shí)間相等,所以手機(jī)對(duì)眼睛的沖量大小為Iy′=0.45 N·s,故B、C錯(cuò)誤;由沖量的定義有Iy′=Ft,代入數(shù)據(jù)可得F==4.5 N,故D正確.
8.新型冠狀病毒主要傳播方式為飛沫傳播,打噴嚏可以將飛沫噴到十米之外.有關(guān)專家研究得出打噴嚏時(shí)氣流噴出的速度可達(dá)40 m/s,假設(shè)打一次噴嚏大約噴出50 mL的空氣,用時(shí)約 0.02 s.已知空氣的密度為1.3 kg/m3 ,估算打一次噴嚏人受到的平均反沖力為A.13 N N N D.2.6 N
9.灌漿機(jī)可以將涂料以速度v持續(xù)垂直噴在墻壁上,涂料打在墻壁上后完全附著在墻壁上.涂料的密度為ρ,墻壁上涂料厚度每秒增加u,不計(jì)涂料重力的作用,則噴涂料對(duì)墻產(chǎn)生的壓強(qiáng)為
10.如圖所示,在傾角為30°的足夠長(zhǎng)的光滑固定斜面上有一質(zhì)量為m的物體,它受到沿斜面方向的力F的作用.力F可按如圖所示的四種方式隨時(shí)間變化(圖中縱坐標(biāo)是F與mg的比值,力F沿斜面向上為正).已知此物體在t=0時(shí)速度為零,若用v1、v2、v3、v4分別表示上述四種受力情況下物體在3 s末的速率,則這四個(gè)速率中最大的是
根據(jù)動(dòng)量定理分別研究四種情況下物體的速率.取t0=1 s,以沿斜面向上為正方向,A圖中:-mgsin 30°·3t0+F1·2t0+F2t0=-mv1,得v1=20 m/s;B圖中:-mgsin 30°·3t0+F1t0+F2t0=-mv2,得v2=15 m/s;C圖中:-mgsin 30°·3t0+F·2t0=-mv3,得v3=25 m/s;D圖中:-mgsin 30°·3t0+F1·2t0+F2t0=-mv4,得v4=15 m/s.故選項(xiàng)C正確.
11.如圖所示,懸掛于豎直彈簧下端的小球質(zhì)量為m,運(yùn)動(dòng)速度的大小為v,方向向下.經(jīng)過時(shí)間t,小球的速度大小為v,方向變?yōu)橄蛏?忽略空氣阻力,重力加速度為g,該運(yùn)動(dòng)過程中,小球所受彈簧彈力沖量的大小為___________.
取向上為正方向,根據(jù)動(dòng)量定理有IF-mgt=mv-(-mv),解得IF=2mv+mgt.
12.如圖所示,從噴泉中噴出的水柱,把一個(gè)質(zhì)量為M的垃圾桶倒頂在空中,水以速率v0、恒定的質(zhì)量增率(即單位時(shí)間噴出的質(zhì)量) 從地下射向空中.求垃圾桶可停留的最大高度h.(設(shè)水柱噴到桶底后以相同的速率反彈,重力加速度為g)
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