动量定理在微小过程中的应用例说

  摘要:物体受到的合力的冲量等于物体动量的变化,公式I= △P. 是矢量方程. 物体做直线运动时,建立该方向的动量方程即可;物体做平面运动时,往往需建立两个相互垂直方向的动量定理方程才能求解. 使用动量求解冲击、打击、碰撞等微小过程中物体受到变力作用的问题时,有优越性,在这些微小过程中,由于物体受到冲击力作用,物体的运动状态发生突变,冲击力比物体受到的恒力如重力大得多,列动量定理方程时,可以将这些恒力忽略. 本文举例说明其应用。

  关键词:动量定理;微小过程;应用;例题

  

  中图分类号:G633.7 文献标识码:E 文章编号:1672-1578(2012)02-0257-02

  

  

  例1、用光滑柔软的布做成的正方形卷轴窗帘的面积为α×α=1.5×1.5 m�2,质量为 =2kg,将窗帘的最下边B 抬起与固定的上边缘A 对齐,使之对折起来,然后B 端由静止落下,如图(1)所示. 求出作用于屋檐板上的力F 随时间t 变化的函数关系。

  

  解: 端脱落后下降时间为t ,在t 时间内B端的运动是自由落体运动,如图(2)所示, 在t 时间, B端下落的距离为:h=12gt�2。

  此时BC 部分速度为v=gt

  

  设想从此时刻起,经△t→0 ,将有△y=v2△t 长度的窗帘速度由v 变为0,以该△y 长度的窗帘作为研究对象,以竖直向上为正方向,如图(3)所示,根据动量定理,有:

  (F-△mg)△t=P�2-P�1=0-(-△mv)①

  其中 △m=ma△y=ma12v△t②

  由于△m→0 ,忽略其重力,①式变为 F△t=m2av�2△t,

  得F= mv�22a

  此时AC 段的长度 ,以AC=a2+h2 段为研究对象,如图(4)所示,根据平衡条件及牛顿第三定律得:

  

  F�A=F+m�A�Cg=m2av�2+ma(a+h2)g

  F�A=m2a+2gh+12(1+ha)mg=mga12gt�2+m2(1+12agt�2)g

  F�A=12mg+34amg�2t�2=12×2×9.8+34×11.5×2×9.8�2t�2=9.8+96t�2

  由于B 端下落到最低点的时间

  t=2ag=2×1.59.8 s=0.55s.

  屋檐板上的力F�A随时间t 的函数关系为:

  F�A=9.8+96t�2�19.6N 0≤t≤0.55s�t>0.55s

  例2、一袋面粉沿着与水平面倾角α=60�0 的光滑斜板上,从高 处无初速度地滑下来,落到水平地板上,袋与地板之间摩擦系数μ =0.7,试问:

  (1)面粉袋停在何处?

  (2)如果H =2m, α=45�0,μ =0.5,袋又将停在何处?

  解:该问题设计成一袋面粉从高处滑下,隐含了面粉袋从斜面冲向水平面时,虽然受到水平面的冲击力,面粉袋也不会跳起,它始终不会离开水平面. 本题中没有给面粉袋的长度,可不考虑其大小.

  (1)面粉袋从高 处无初速滑下,到达水平面时速度为 ,根据机械能守恒定律有:

  mgH=12mv�2,v=2gH

  将速度 分解成水平和竖直方向的分量v�x,v�y , . 如图(5)所示.

  v�x=vcosα=1v�v�y=vsinα=32v

  

  设经△t ,竖直方向的分速度减为零,由于△t 是一个微小量,此过程中可不计重力的冲量,根据动量定理有

  N△t=0-(-mv�y)=32mv ①

  设此在△t 时间内,水平面对面粉袋的摩擦力始终存在,在△t 末时刻速度为v�' ,以向左为正方向,列动量定理方程:

  -f.△t=mv�'-mv�x②

  注意到 f=μN③

  将①③式代入②式中得

  v�'=v�x -μ32μv=-0.1v<0

  摘要:物体受到的合力的冲量等于物体动量的变化,公式I= △P. 是矢量方程. 物体做直线运动时,建立该方向的动量方程即可;物体做平面运动时,往往需建立两个相互垂直方向的动量定理方程才能求解. 使用动量求解冲击、打击、碰撞等微小过程中物体受到变力作用的问题时,有优越性,在这些微小过程中,由于物体受到冲击力作用,物体的运动状态发生突变,冲击力比物体受到的恒力如重力大得多,列动量定理方程时,可以将这些恒力忽略. 本文举例说明其应用。

  关键词:动量定理;微小过程;应用;例题

  

  中图分类号:G633.7 文献标识码:E 文章编号:1672-1578(2012)02-0257-02

  

  

  例1、用光滑柔软的布做成的正方形卷轴窗帘的面积为α×α=1.5×1.5 m�2,质量为 =2kg,将窗帘的最下边B 抬起与固定的上边缘A 对齐,使之对折起来,然后B 端由静止落下,如图(1)所示. 求出作用于屋檐板上的力F 随时间t 变化的函数关系。

  

  解: 端脱落后下降时间为t ,在t 时间内B端的运动是自由落体运动,如图(2)所示, 在t 时间, B端下落的距离为:h=12gt�2。

  此时BC 部分速度为v=gt

  

  设想从此时刻起,经△t→0 ,将有△y=v2△t 长度的窗帘速度由v 变为0,以该△y 长度的窗帘作为研究对象,以竖直向上为正方向,如图(3)所示,根据动量定理,有:

  (F-△mg)△t=P�2-P�1=0-(-△mv)①

  其中 △m=ma△y=ma12v△t②

  由于△m→0 ,忽略其重力,①式变为 F△t=m2av�2△t,

  得F= mv�22a

  此时AC 段的长度 ,以AC=a2+h2 段为研究对象,如图(4)所示,根据平衡条件及牛顿第三定律得:

  

  F�A=F+m�A�Cg=m2av�2+ma(a+h2)g

  F�A=m2a+2gh+12(1+ha)mg=mga12gt�2+m2(1+12agt�2)g

  F�A=12mg+34amg�2t�2=12×2×9.8+34×11.5×2×9.8�2t�2=9.8+96t�2

  由于B 端下落到最低点的时间

  t=2ag=2×1.59.8 s=0.55s.

  屋檐板上的力F�A随时间t 的函数关系为:

  F�A=9.8+96t�2�19.6N 0≤t≤0.55s�t>0.55s

  例2、一袋面粉沿着与水平面倾角α=60�0 的光滑斜板上,从高 处无初速度地滑下来,落到水平地板上,袋与地板之间摩擦系数μ =0.7,试问:

  (1)面粉袋停在何处?

  (2)如果H =2m, α=45�0,μ =0.5,袋又将停在何处?

  解:该问题设计成一袋面粉从高处滑下,隐含了面粉袋从斜面冲向水平面时,虽然受到水平面的冲击力,面粉袋也不会跳起,它始终不会离开水平面. 本题中没有给面粉袋的长度,可不考虑其大小.

  (1)面粉袋从高 处无初速滑下,到达水平面时速度为 ,根据机械能守恒定律有:

  mgH=12mv�2,v=2gH

  将速度 分解成水平和竖直方向的分量v�x,v�y , . 如图(5)所示.

  v�x=vcosα=1v�v�y=vsinα=32v

  

  设经△t ,竖直方向的分速度减为零,由于△t 是一个微小量,此过程中可不计重力的冲量,根据动量定理有

  N△t=0-(-mv�y)=32mv ①

  设此在△t 时间内,水平面对面粉袋的摩擦力始终存在,在△t 末时刻速度为v�' ,以向左为正方向,列动量定理方程:

  -f.△t=mv�'-mv�x②

  注意到 f=μN③

  将①③式代入②式中得

  v�'=v�x -μ32μv=-0.1v<0


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