高中物理 第一章 第四節(jié) 第五節(jié)《自然界中的守恒定律》課件 粵教選修3-5

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歡迎進入物理課堂 第四節(jié)反沖運動 第五節(jié)自然界中的守恒定律 知識點1反沖運動1 反沖運動 1 反沖運動 當一個物體向某一方向射出它的一部分時 這個物體的剩余部分將向 2 本質(zhì) 反沖運動中 相反方向運動 系統(tǒng)的動量是守恒的 2 反沖運動的特點 反沖運動和碰撞 爆炸有相似之處 相互作用力常為變力 且作用力大 一般都滿足內(nèi)力遠遠大于外力 所以反沖運動可用動量守恒定律來處理 1 反沖運動的問題中 有時遇到的速度是相作用的兩物體間的相對速度 這時應先將相對速度轉(zhuǎn)化成對地的速度 再列動量守恒的方程求解 2 在反沖運動中還常遇到變質(zhì)量物體的運動 如火箭在運動過程中 隨著燃料的消耗火箭本身的質(zhì)量不斷在減小 此時必須取火箭本身和在相互作用時的整個過程來進行研究 知識點2自然界中的守恒定律1 守恒與不變 守恒定律是自然界中普遍存在的重要的定律 它認為物體在相互作用之前和之后某些物理量的總數(shù)是不變的 1 本質(zhì) 守恒定律的本質(zhì)是物理量不會從虛無中產(chǎn)生 也不會消失 無論何時 如果某個量在某個時候或某個地方有所增加 那么它在另外一個時候或另外一個地方一定有相同數(shù)量的減少 2 特點 守恒定律不關(guān)心過程中的具體細節(jié) 它只是給出 了物體在初 末狀態(tài)之間應該滿足什么樣的關(guān)系 3 高中物理最重要的守恒定律有兩個 一個是能量守恒 一個是動量守恒 2 守恒與對稱 所謂的對稱 其本質(zhì)也是具有某種不變性 守恒與對稱之間有著必然的聯(lián)系 人們相信自然界是和諧對稱的 物理學在破譯宇宙密碼的同時 實實在在地展示了其 驚人的簡單 神秘的對稱 和 美妙的和諧 三大守恒定律 物質(zhì)守恒定律 能量守恒定律 動量守恒定律 是物質(zhì)世界和諧性最完美的體現(xiàn) 知識點3反沖運動的動量與能量 1 動量 反沖運動過程中 如果沒有外力作用或外力的作 用遠小于內(nèi)力 動量守恒 2 能量 總動能增加 反沖運動是作用力與反作用力做正 功的典型事例 3 研究反沖運動的目的 找反沖速度的規(guī)律 求反沖速度的關(guān)鍵是確定相互作用的物體系統(tǒng)和其中各物體對地的運動狀態(tài) 例題 一置于桌面上質(zhì)量為M的玩具炮 水平發(fā)射質(zhì)量為m的炮彈 炮可在水平方向自由移動 當炮身上未放置其他重物時 炮彈可擊中水平地面上的目標A 當炮身上固定一質(zhì)量為M0的重物時 在原發(fā)射位置沿同一方向發(fā)射的炮彈可擊中水平地面上的目標B 炮口離水平地面的高度為h 如果兩次發(fā)射時 火藥 提供的機械能相等 求B A兩目標與炮彈發(fā)射點之間的水平距離之比 答案 見解析 速度v 1 在水平軌道上放置一門質(zhì)量為M的炮車 發(fā)射質(zhì)量為m的炮彈 炮車與軌道間摩擦不計 當炮身與水平方向成 角發(fā)射炮彈時 炮彈相對地面的出射速度為v0 則此時炮身后退的 mv0cos M 知識點4守恒是貫穿高中物理的重要理念 自然現(xiàn)象豐富多彩 物體的運動千變?nèi)f化 但在這紛繁復雜的現(xiàn)象中隱藏著簡單和諧的美 守恒與不變 守恒與對稱 這是物理學家開啟神奇的自然界之門的金鑰匙 1 能量守恒定律 能量守恒定律 能量 而只會 能量守恒是時間平移不變性的體現(xiàn) 能量守恒定律是物理學中最基本的定律之一 既不會被創(chuàng)生 也不會被消滅 從一種形式轉(zhuǎn)化為另一種形式 總量保持不變 2 動量守恒定律 動量守恒定律 是指物體系統(tǒng)碰撞前后的總動量不変 動量守恒定律是自然界中最重要最普遍的守恒定律之一 它既適用于宏觀物體 也適用于微觀粒子 既適用于低速運動物體 也適用于高速運動物體 它是一個實驗規(guī)律 也可用牛頓第三定律和動量定理推導出來 動量守恒定律的適用條件 1 系統(tǒng)不受外力或系統(tǒng)所受外力的合力為零 2 系統(tǒng)所受外力的合力雖不為零 但F內(nèi) F外 亦即外力作用于系統(tǒng)中的物體導致的動量的改變較內(nèi)力作用所導致的動量改變小得多 則此時可忽略外力作用 系統(tǒng)動量近似守恒 3 系統(tǒng)所受合外力雖不為零 但系統(tǒng)在某一方向所受合力 為零 則系統(tǒng)此方向的動量守恒 3 機械能守恒定律 在 的條件下 物體的動能和重力勢能發(fā)生相互轉(zhuǎn)化 但 在有彈簧彈力做功的情況下 也有類似的結(jié)論成立 這個規(guī)律叫做機械能守恒定律 只有重力對物體做功 機械能的總量保持不變 例題 圖1 4 1所示為一根豎直懸掛的不可伸長的輕繩 下端栓一小物塊A 上端固定在C點且與一能測量繩的拉力的測力傳感器相連 已知有一質(zhì)量為m0的子彈B沿水平方向以速度v0射入A內(nèi) 未穿透 接著兩者一起繞C點在豎直面內(nèi) 做圓周運動 在各種阻力都可忽略的條件下測力傳感器測得繩的拉力F隨時間t的變化關(guān)系如圖1 4 2所示 已知子彈射入的時間極短 且圖1 4 2中t 0為A B開始以相同速度運動的時刻 根據(jù)力學規(guī)律和題中 包括圖 提供的信息 對反映懸掛系統(tǒng)本身性質(zhì)的物理量 例如A的質(zhì)量 及A B一起運動過程中的守恒量 能求得哪些定量的結(jié)果 圖1 4 1 圖1 4 2 解析 由圖1 4 2可直接看出 A B一起做周期性運動 運動的周期T 2t0 令m表示A的質(zhì)量 l表示繩長 v1表示B陷入A內(nèi)時即t 0時A B的速度 即圓周運動最低點的速度 v2表示運動到最高點時的速度 F1表示運動到最低點時繩的拉力 F2表示運動到最高點時繩的拉力 根據(jù)動量守恒定律 得 A B一起運動過程中的守恒量是機械能E 若以最低點為勢能的零點 則 答案 見解析 2 如圖1 4 3所示 彈簧的一端固定在豎直墻上 質(zhì)量為m的光滑弧形槽靜止在光滑水平面上 底部與水平面平滑連接 一個質(zhì) 量也為m的小球從槽高h處開始下滑 圖1 4 3A 在以后的運動過程中 小球和槽的動量始終守恒B 在下滑過程中小球和槽之間的相互作用力始終不做功C 被彈簧反彈后 小球和槽都做速率不變的直線運動D 被彈簧反彈后 小球和槽的機械能守恒 小球能回到槽高h處 解析 小球在斜面上下滑 在沒有與彈簧接觸之前 小球和斜面組成的系統(tǒng)機械能守恒 水平方向動量守恒 滿足 答案 C 題型1 反沖運動的動量守恒 例題 一個靜止的質(zhì)量為M的不穩(wěn)定原子核 放射出一個質(zhì)量為m的粒子 粒子離開原子核時相對核的速度為v0 則 原子核剩余部分的速度為 答案 C 規(guī)律總結(jié) 反沖運動的動量守恒在應用時要注意兩個問題 一是質(zhì)量的變化 要注意到反沖核的質(zhì)量等于原子核的質(zhì)量減去粒子的質(zhì)量 二是相對速度 一定要注意粒子的速度是相對于地面的還是相對于反沖核的 如果粒子的速度是相對于地面的 直接代入動量守恒定律等式中即可 如果是相對反沖核的 一定要把這個速度轉(zhuǎn)換為相對地面的 動量守恒定律成立的條件就是速度必須是相對慣性參考系的 1 火箭噴氣發(fā)動機每次噴出質(zhì)量m 0 2kg的氣體 噴出的氣體相對地面的速度為v 1000m s 設火箭的初始質(zhì)量M 300kg 發(fā)動機每秒噴氣20次 若不計地球?qū)λ囊ψ饔煤涂諝庾枇ψ饔?求火箭發(fā)動機工作5s后火箭的速度達多大 滿足 0 M m 20 5 v m 20 5 v解得v 71 4m s 解 以火箭 包括在5s內(nèi)要噴出的氣體 為系統(tǒng) 系統(tǒng)的總動量守恒 以火箭的運動方向為正 則5s后火箭的動量為 M m 20 5 v 所噴出的氣體動量為 m 20 5 v 題型2 火箭的最終速度 例題 火箭發(fā)射前的總質(zhì)量為M 燃料燃盡后的剩余質(zhì)量為m 火箭燃氣的噴射速率為v0 那么燃料燃盡后火箭的飛行速率v為多大 答案 見解析 解析 火箭和燃氣組成的系統(tǒng)總動量守恒 滿足 0 mv M m v0 2 用火箭發(fā)射人造地球衛(wèi)星 假設最后一節(jié)火箭的燃料用完后 火箭殼體和衛(wèi)星一起以速度v 7 0 103m s繞地球做勻速圓周運動 已知衛(wèi)星質(zhì)量m 500kg 最后一節(jié)火箭殼體的質(zhì)量M 100kg 某時刻火箭殼體與衛(wèi)星分離 分離時衛(wèi)星與火箭殼體沿軌道切線方向的相對速度u 1 8 103m s 試分析計算 分離后衛(wèi)星的速度增加到多大 火箭殼體的速度多大 分離后它們將如何運動 解 設分離后衛(wèi)星與火箭殼體相對于地面的速度分別為v1 和v2 分離時系統(tǒng)在軌道切線方向上動量守恒 M m v mv1 Mv2 且u v1 v2 1 8 103 解得v1 7 3 103m s v2 5 5 103m s 衛(wèi)星分離后 v1 v2 將做離心運動 衛(wèi)星將以該點為近地 點做橢圓運動 而火箭殼體分離后的速度v2 5 5 103m s v 因此做向心 運動 其軌道為以該點為遠地點的橢圓運動 進入大氣層后 軌道將不斷降低 并燒毀 同學們 來學校和回家的路上要注意安全 同學們 來學校和回家的路上要注意安全