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2.1 冲量

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 力对时间的累积效应,等于力与作用时间的乘积,是矢量,方向与力的方向相同。

从哪来 本知识点建立在2.1 质点模型(确定研究对象)、3.2 匀变速直线运动(提供速度变化量 $\Delta v$ 和加速度 $a$ 的关系)以及7.3 子弹打木块(提供变力作用下的典型物理情境)之上。

为什么 牛顿第二定律 $F=ma$ 描述的是瞬时关系,当力随时间变化(如碰撞、爆炸)时,直接求合力困难。 由 $F = m \frac{\Delta v}{\Delta t}$ 变形得 $F \Delta t = m \Delta v$。 左边 $F \Delta t$ 表示力在时间上的积累,右边 $m \Delta v$ 表示动量的变化。 这说明:改变物体运动状态(动量)的不是某一瞬间的力,而是力在一段时间内的“总量”。这就是冲量存在的物理意义——它是力改变物体动量的媒介。

类比法:水流冲门** * **适合学生
形象思维强、对抽象公式抗拒的学生。 * 内容:想象用水管冲门。 * 水压大(力 $F$ 大)但时间短,门可能没动; * 水压小(力 $F$ 小)但持续时间长,门会被冲开。 * 决定门被冲开程度的,不是单纯的水压,而是“水压 $\times$ 时间”。 * 冲量 $I$ 就是那个“水压 $\times$ 时间”的总效果,它决定了物体动量改变了多少。
数学推导法:从牛顿第二定律出发** * **适合学生
逻辑严密、擅长代数推导的学生。 * 内容: 1. 回顾 $F_{net} = ma$。 2. 代入 $a = \frac{v_t - v_0}{t}$。 3. 得到 $F_{net} = m \frac{v_t - v_0}{t}$。 4. 两边同乘 $t$:$F_{net} \cdot t = m v_t - m v_0$。 5. 定义左边为冲量 $I$,右边为动量变化 $\Delta p$。 6. 结论:冲量是动量定理的核心,它弥补了牛顿第二定律在处理变力问题时的不足。
情境对比法:鸡蛋落地** * **适合学生
生活经验丰富、喜欢探究现象本质的学生。 * 内容: * 现象:鸡蛋掉在石头上碎了,掉在海绵上没碎。 * 分析:鸡蛋从同一高度落下,落地前速度相同,停下后速度都为0,所以动量变化量 $\Delta p$ 相同。 * 根据 $I = \Delta p$,鸡蛋受到的冲量 $I$ 也相同。 * 但是,海绵延长了碰撞时间 $\Delta t$。 * 由 $I = F \Delta t$ 可知,$\Delta t$ 变大,平均作用力 $F$ 就变小。 * 结论:冲量是定值(由动量变化决定),而力的大小取决于这个冲量分布在多长的时间里。
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练一道
基础题
一个质量为 $0.5\text{ kg}$ 的足球,以 $10\text{ m/s}$ 的速度水平飞向静止的守门员,守门员用 $0.1\text{ s}$ 的时间将球沿原方向以 $15\text{ m/s}$ 的速度踢出。求守门员对足球的平均作用力。(取 $g=10\text{ m/s}^2$,忽略重力影响)
变式
上述足球若被守门员迎面踢回,速度大小仍为 $15\text{ m/s}$,时间仍为 $0.1\text{ s}$,求此时守门员对足球的平均作用力。
试试手自己判
检测题
一个质量为 $1\text{ kg}$ 的小球从高处落下,以 $5\text{ m/s}$ 的速度竖直向下撞击地面,经 $0.05\text{ s}$ 后以 $3\text{ m/s}$ 的速度竖直向上弹回。求地面对小球的平均作用力。($g=10\text{ m/s}^2$)
看答案和判分标准
答案:$160\text{ N}$,方向竖直向上。
判对标准:
1. 方向判断正确:学生必须规定向上为正(或向下为正),并正确赋予末速度负号(或初速度负号)。若未规定方向直接相减,判错。
2. 受力分析完整:学生必须列出 $F_{ground} - mg = \frac{\Delta p}{\Delta t}$ 或 $F_{ground} \Delta t - mg \Delta t = \Delta p$。若漏掉重力 $mg$,判错。
3. 计算准确:
* $\Delta p = 1 \times 3 - 1 \times (-5) = 8\text{ kg}\cdot\text{m/s}$ (取向上为正)。
* $F_{ground} \times 0.05 - 1 \times 10 \times 0.05 = 8$。
* $0.05 F_{ground} - 0.5 = 8 \Rightarrow 0.05 F_{ground} = 8.5 \Rightarrow F_{ground} = 170\text{ N}$。
* *修正*:让我重新核算一下。
* 取向上为正。$v_0 = -5$, $v_t = 3$。
* $\Delta p = 1(3) - 1(-5) = 8$。
* 合外力冲量 $I_{net} = 8$。
* $I_{net} = (F_{ground} - mg) \Delta t$。
* $8 = (F_{ground} - 10) \times 0.05$。
* $160 = F_{ground} - 10$。
* $F_{ground} = 170\text{ N}$。
* *再次检查*:
* $F_{net} = \frac{\Delta p}{\Delta t} = \frac{8}{0.05} = 160\text{ N}$。
* $F_{net} = F_{ground} - mg$。
* $160 = F_{ground} - 10$。
* $F_{ground} = 170\text{ N}$。
* 刚才心算 $160$ 是合外力,题目问的是地面对小球的力,所以是 $170\text{ N}$。
* 更正答案:$170\text{ N}$。

最终判对标准:
1. 规定正方向,正确计算 $\Delta p = 8\text{ kg}\cdot\text{m/s}$。
2. 正确应用动量定理:$(F - mg)\Delta t = \Delta p$。
3. 解得 $F = 170\text{ N}$。
4. 若只算出合外力 $160\text{ N}$ 而未加回重力,判错。
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