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7.4 多次作用问题

动量定理与动量守恒定律 · 高二
先确认一下:这一关能不能学
先会这个
上面这几节是它的地基 —— 没通的话,补完再回来,比硬啃快得多。
讲清楚它是什么

定义 物体在连续受多个不同外力作用,且各阶段运动状态发生变化的动力学分析过程。

从哪来 基于 3.2 匀变速直线运动 的运动学公式,结合 7.3 子弹打木块 中的动量/能量守恒思想,以及 2.3 弹簧模型 中变力做功的处理逻辑,最终通过 2.1 质点模型 将复杂物体简化为受力分析对象。

为什么 现实中的物体很少只受一个恒力作用,往往经历“加速-匀速-减速”或“受恒力-受变力”等阶段。 1. 运动状态的连续性:前一阶段的末速度是后一阶段的初速度,这是连接各阶段的桥梁。 2. 受力与运动的对应性:牛顿第二定律 $F=ma$ 是瞬时关系,力变则加速度变,运动性质随之改变。 3. 能量视角的普适性:在涉及变力(如弹簧、摩擦生热)时,动能定理往往比牛顿定律更直接,因为它避开了中间过程的细节,只关注初末状态。

“接力赛”思维法** 适合:**形象思维强、逻辑链条容易断裂**的学生。 **讲解策略
把多次作用过程比作接力赛。 1. 棒子(速度):第一棒选手(阶段1)跑完,把接力棒(末速度 $v_1$)交给第二棒选手(阶段2)。 2. 赛道(受力):每段赛道不同(受力不同),所以跑法不同(加速度不同)。 3. 关键点:交接棒瞬间(转折点),位置不变,速度不变,但“跑法”(加速度)突变。 操作:画图时,在转折点画一条竖线,左边写阶段1的 $a_1, v_0, v_1$,右边写阶段2的 $a_2, v_1, v_2$。强调 $v_1$ 是公共变量。
“分段列式+联立消元”代数法** 适合:**数学基础好、喜欢逻辑推导、对物理图像不敏感**的学生。 **讲解策略
1. 标准化流程: - 第一步:受力分析,求各阶段加速度 $a_i$。 - 第二步:对每个阶段列运动学方程($v = v_0 + at$, $x = v_0t + \frac{1}{2}at^2$)。 - 第三步:找出未知量(时间、位移、速度)与已知量的关系。 - 第四步:利用“衔接点”($v_{end,1} = v_{start,2}$)联立方程组,消去中间变量。 2. 核心口诀:“力定加,加定运,末速变初速”。 操作:展示一个典型的三阶段问题,列出所有方程,演示如何划掉中间变量,只保留首末状态和总位移/总时间。
“能量-动量”综合视角法** 适合:**高阶思维、擅长整体把握、对复杂过程感到畏惧**的学生。 **讲解策略
1. 整体法:如果只关心初末状态,不关心中间过程细节,优先用动能定理($W_{total} = \Delta E_k$)。 - 例如:恒力做功 + 摩擦力做功 + 弹簧弹力做功 = 末动能 - 初动能。 2. 局部法:如果必须求某段时间或某段位移,必须用牛顿定律+运动学。 3. 混合使用: - 阶段1(恒力):用牛顿定律求 $a$,求 $v$。 - 阶段2(变力/弹簧):用动能定理求位移或速度。 - 阶段3(恒力):用运动学求时间。 操作:对比“纯牛顿法”和“动能定理法”解题步骤的数量,让学生看到能量法在跨越变力阶段时的优势。
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练一道
基础题
一个质量为 $2\text{kg}$ 的物体静止在光滑水平面上。 1. 先施加一个水平向右的恒力 $F_1 = 10\text{N}$,作用 $2\text{s}$ 后撤去。 2. 紧接着施加一个水平向左的恒力 $F_2 = 6\text{N}$,作用 $1\text{s}$。 求:(1) 第一阶段末的速度;(2) 第二阶段的位移;(3) 全过程的总位移。
变式
接上题,若第二阶段力 $F_2$ 持续作用,直到物体速度减为 0,求: (1) 第二阶段实际持续时间; (2) 第二阶段位移; (3) 全过程总位移。
看解答过程
1. 第一阶段(加速): - 受力:$F_1 = 10\text{N}$,方向向右。 - 加速度:$a_1 = \frac{F_1}{m} = \frac{10}{2} = 5\text{m/s}^2$。 - 初速度:$v_0 = 0$。 - 时间:$t_1 = 2\text{s}$。 - 末速度:$v_1 = v_0 + a_1 t_1 = 0 + 5 \times 2 = 10\text{m/s}$。 - 位移:$x_1 = \frac{1}{2} a_1 t_1^2 = \frac{1}{2} \times 5 \times 2^2 = 10\text{m}$。 2. 第二阶段(减速): - 受力:$F_2 = 6\text{N}$,方向向左(与运动方向相反)。 - 加速度:$a_2 = \frac{-F_2}{m} = \frac{-6}{2} = -3\text{m/s}^2$。 - 初速度:$v_1 = 10\text{m/s}$(衔接点)。 - 时间:$t_2 = 1\text{s}$。 - 末速度:$v_2 = v_1 + a_2 t_2 = 10 + (-3) \times 1 = 7\text{m/s}$。 - 位移:$x_2 = v_1 t_2 + \frac{1}{2} a_2 t_2^2 = 10 \times 1 + \frac{1}{2} \times (-3) \times 1^2 = 10 - 1.5 = 8.5\text{m}$。 3. 全过程: - 总位移:$x_{total} = x_1 + x_2 = 10 + 8.5 = 18.5\text{m}$。
试试手自己判
检测题
一个质量为 $1\text{kg}$ 的滑块从静止开始,在光滑水平面上运动。 - 第 1 秒内,受水平向右恒力 $F_1 = 2\text{N}$。 - 第 2 秒内,受水平向左恒力 $F_2 = 4\text{N}$。 求:第 2 秒末滑块的速度大小和方向,以及前 2 秒内的总位移。
看答案和判分标准
答案:- 第 2 秒末速度:$2\text{m/s}$,方向向左。 - 总位移:$1\text{m}$,方向向右。
判对标准:
1. 速度计算:
- 第 1 秒末速度 $v_1 = a_1 t_1 = (2/1) \times 1 = 2\text{m/s}$(向右)。
- 第 2 秒加速度 $a_2 = -4/1 = -4\text{m/s}^2$。
- 第 2 秒末速度 $v_2 = v_1 + a_2 t_2 = 2 + (-4) \times 1 = -2\text{m/s}$。
- 大小 $2\text{m/s}$,方向向左(负号)。
- *若学生答出 $2\text{m/s}$ 向右,判错。*
2. 位移计算:
- 第 1 秒位移 $x_1 = \frac{1}{2} a_1 t_1^2 = \frac{1}{2} \times 2 \times 1^2 = 1\text{m}$。
- 第 2 秒位移 $x_2 = v_1 t_2 + \frac{1}{2} a_2 t_2^2 = 2 \times 1 + \frac{1}{2} \times (-4) \times 1^2 = 2 - 2 = 0\text{m}$。
- 总位移 $x = x_1 + x_2 = 1 + 0 = 1\text{m}$。
- *若学生答出 $1\text{m}$,判对。若答出 $0\text{m}$ 或 $-1\text{m}$,判错。*
- *关键点:第 2 秒内物体先减速到 0(用时 0.5s),再反向加速(用时 0.5s),位移抵消为 0。
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