师:同学们好,今天我们一起来学习动量和动量定理。这节课有两个内容,一是动量和冲量这两个基本概念,二是动量定理的推导与理解。

  跳远时我们会跳进沙坑而非水泥地,跳高时会在杆前垫海绵垫,运输水果会用泡沫网格包裹。这些措施的共同点是延长打击或碰撞过程,减小相互作用力,避免人或水果受伤受损。但有时我们不希望这样,比如钉钉子会用铁锤而非木锤,这是为什么呢?学完今天的内容,这些问题就能迎刃而解。

  首先探究碰撞效果与哪些因素有关,来看三组现象对比。树叶落下我们会用手接,石头落下则急忙躲开,因为石头质量大,相互作用力大,砸起来疼。把质量大的锤子放钉子上,很久钉子也难钉进去,挥动锤子给它速度,钉子就容易钉进去,且锤子质量和速度越大,钉子越容易钉入。同一辆汽车速度越大,事故越严重;小汽车和大卡车速度相同时,大卡车造成的事故更严重,因为质量大,碰撞时力大,效果明显。这表明讨论物体碰撞作用效果,要考虑质量、速度和作用时间。

  那么这些物理量之间有什么关系呢?用牛顿第二定律推导。在光滑水平面上,质量为(m)的物体受恒力(F)作用,在(\Delta t)时间内,速度从(V_1)变为(V_2)。根据牛顿第二定律(F = ma),加速度(a = \frac{V_2 - V_1}{\Delta t}),代入可得(F \times \Delta t = mV_2 - mV_1)。方程左边力乘以作用时间,即力对时间的积累,定义为冲量;方程右边(m)乘以(v)这种形式的物理量定义为动量,(mV_2)是物体末动量,(mV_1)是初动量,这个表达式就是动量定理。在学习应用动量定理前,先来认识动量和冲量两个概念。

  先看动量,动量是物体质量和速度的乘积,反映物体机械运动量大小,写成(p = mv)。速度是描述物体运动快慢的状态量,所以动量(p)也是状态量,单位是千克米每秒。(m)是标量,(v)是矢量,所以动量是矢量,与物体运动方向即速度方向相同。因为(p)是矢量,其加减要满足平行四边形定则。

  通过一个例题认识动量。一个质量(0.1)千克的钢球以(6)米每秒速度向右运动,与墙壁相碰后以(6)米每秒速度返回,求碰撞前后钢球动量变化量。碰撞前后速度大小不变,但方向改变,所以动量变化。求动量变化量用末动量减去初动量,因动量是矢量,且碰撞前后物体在同一直线上运动,规定好正方向直接相加减。规定向右为正方向,物体初动量(p_{初}=mv = 0.1×6 = 0.6)千克米每秒,末速度与正方向相反,末动量(p_{末} = -0.6)千克米每秒,动量变化量(\Delta p = p_{末} - p_{初} = -0.6 - 0.6 = -1.2)千克米每秒。这里负号表示与规定正方向相反,即动量变化量方向水平向左。通过这个例题可知,动量变化量等于末动量减去初动量,若在同一直线上要规定正方向,不在同一直线上则用平行四边形定则运算。

  接下来学习第二个物理量冲量。冲量等于力与力的作用时间的乘积,反映力对时间的积累,是过程量,单位是牛·秒。因为时间(t)是标量,力(F)是矢量,所以冲量是矢量。

  了解完动量和冲量,一起来学习动量定理。动量定理指物体合外力的冲量等于动量的变化,写成(Ft = mV_2 - mV_1)或者(I = \Delta p),其中(Ft)是合外力的冲量,(mV_2)是物体末动量,(mV_1)是物体初动量。刚刚是在恒力基础上推出动量定理,实际上它也适用于求变力的冲量,当(F)不是恒力时,可理解为变力的平均值。

  解读完动量定理表达式,用它解决课前问题。跳远跳进沙坑,因为沙坑能延长人跟地面碰撞时间。假设人刚接触地面速度为(v),经过(\Delta t)时间速度减为(0)。根据动量定理,合外力的冲量等于动量的变化量,(F_{合} = \frac{\Delta p}{\Delta t}),当(\Delta p)一定时,(\Delta t)变长,力就会变小,所以用沙子延长人从(v)减为(0)的时间,减小相互作用力,避免人受伤。跳高垫海绵垫,运输水果加泡沫网格,都是通过延长碰撞时间(\Delta t)减小相互作用力。当(\Delta p)一定时,(\Delta t)越大,(F)越小,这类装置叫缓冲装置。钉钉子用铁锤不用木锤,是希望增大作用力,所以要减小碰撞时间增大相互作用力,让钉子更容易钉进去,即当(\Delta p)一定时,(\Delta t)越小,力越大。

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《物理 必修2 动量、动量定理 逐字稿-3,207字 第5版》.docx
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