1.2专题：流体-微粒碰撞问题 讲义-2022-2023学年高二上学期物理人教版（2019）选择性必修第一册

流体—微粒碰撞 【流体】 1．高压清洗广泛应用于汽车清洁、地面清洁等。某高压水枪出水口直径为d，水从枪口高速喷出后，近距离垂直喷射到某物体表面且速度在短时间内由v变为零，忽略水从枪口喷出后的发散效应，水的密度为ρ。则水在物体表面产生的平均冲击力大小为（　D　） A． B． C． D． 情景：水流气流等流体从一定的截面积S以一定的速度v0与物体碰撞，流体速度变为0，求平均冲击力F的大小。 知识：动量定理、密度的计算、液柱（空气柱）体积的计算。 策略：由于牛顿第三定律，流体与被碰物体，受到的冲击力等大，不妨以流体为研究对象。 Δt的时间内运用动量定理：FΔt=0-mv0 把质量展开：m=ρV，V=Sl=SvΔt。（射到物体上的液柱的高l=vΔt） 得F=-ρSv02，负号表示冲击力与速度反向，大小为F=ρSv02 变式1：碰撞后流体速度不是0 2．水流射向物体，会对物体产生冲击力。假设水枪喷水口的横截面积为S，喷出水流的流速为v，水流垂直射向以恒定速度匀速向前行驶的小车左壁，并沿左壁流入车厢内，如图所示。已知水的密度为ρ，则小车受到的平均冲击力是（　D　） A． B． C． D． 理解1：以地面为参考系，流体速度由v变为，动量定理FΔt=mv-mv0，射到物体上的液柱的高l=(v-v0)Δt 理解2：以小车为参考系，流体速度由v-v0变为0。之和套用第1题的结论 变式2：单位面积压力 3．某市在冬季常见最大风力为9级（风速约20m/s到24m/s）。如图所示的该市某品牌抗风卷帘门面积为S，单位面积所能承受的最大压力为F。设空气密度为ρ，空气吹到卷帘门上速度立刻减为零，则此卷帘门能承受的垂直方向最大风速v等于（　B　） A． B． C． D． 力不是F，而是SF。SFΔt=0-mv0 变式3：与动能定理结合 4．如图所示，质量为M的直武装直升机旋翼有4片桨叶，桨叶旋转形成的圆面面积为S。已知空气密度为，重力加速度大小为g。当直升机悬停空中时，发动机输出的机械功率为，桨叶旋转推动空气，空气获得的速度为，则单位时间内桨叶旋转推动空气的质量可表示为（　D　） A． B． C． D． 对直升机根据平衡知识 ①对空气，动量定理 考虑到，忽略 ②对空气，动能定理：PΔt= 解得 变式4：流量问题 5．在一个小池塘中有一个竖直向上的喷口，在水泵的工作下连续不断的竖直向上喷水，喷出的水又都会落回池塘。已知喷口面积为S，水喷出后相对喷口能达到的最大高度为H，水的密度为ρ，重力加速度为g。 （1）求喷泉的流量Q（单位时间内喷出的体积）； 流量 水从喷口喷出后做竖直上抛运动 （2） 若将一块质量为m的平板放在向上的水流上，在水流的冲击下，木板可以在空中保持静止，假设所有水都会竖直向上冲击到木板，且冲击木板后瞬间水流的速度降为0，求木板的平衡位置距离喷口的高度h； 水从喷口喷出后到达玩具底面时的速度大小为v， 对于Δt时间内喷出的水，板对水的作用力大小为F，动量定理， 对静止的木板，有 得 （3）若水泵是设在池塘中的，水泵工作时将电能转化为机械能的效率为η。水塘向周围环境散热的功率为P=KΔT，其中ΔT为池塘里的水比周围环境的温度差，K为已知常量，若环境温度为T0，求工作足够长时间后池塘中水的温度T。 联立解得 【微粒】 1．传说英国科学家瓦特观察到水蒸气顶起锅盖，进而发明了蒸汽机。假设每个水分子的质量均为m，运动的水分子均垂直撞击平板锅盖，撞击速度均为v。每次撞击后速度大小均变为，方向垂直锅盖，撞击的时间极短，发现质量为M的锅盖刚好被顶起。忽略水分子所受重力，则单位时间撞击锅盖的水分子个数为（　A　） A． B． C． D． 对极短时间内发生撞击的水分子运用动量定理， （单位时间有n的分子，质量） 情景：n个粒子以一定的速度v0与物体碰撞，速度变为v，求平均冲击力F的大小。 知识：动量定理 策略：以流体为研究对象。 Δt的时间内运用动量定理：FΔt=nmv-nmv0（有n的分子，质量） 2．根据量子理论：光子既有能量也有动量；光子的能量E和动量p之间的关系是，其中c为光速。由于光子有动量，照到物体表面的光子被物体吸收或被反射时都会对物体产生一定的冲量，也就对物体产生了一定的压强。某激光器发出激光束的功率为，光束的横截面积为S。当该激光束垂直照射到某物体表面时，激光被完全反射，则激光束对此物体产生的压强为（　D　） A． B． C． D． 内光束的动量为 光束被完全反射，对光束由动量定理有 则激光束对此物体产生的压强为 情景：n个光子与物体碰撞，被反弹（反弹速率与入射速率都是c），或者被吸收（反弹速度为0），求平均冲击力F的大小。 知识：动量定理，光子动量的计算 策略：以n个光子为研究对象动量定理（反弹），（吸收） 计算光子动量一个光子能