1.4 动量守恒定律的应用 课件-2025-2026学年高二上学期物理粤教版选择性必修第一册

第四节 动量守恒定律的应用 一、想想为什么？ 在较光滑的水平面上有一辆滑板车。某同学站在车上，想通过敲打车的左端让小车向右不断运动，这可行吗？观看视频用自己语言概括结果，与同学交流，解释原因。并讨论怎么才能使小车持续向右运动。 （此问题解释参考教学设计） 2 二、复习知识，应用案例示范 动量守恒定律：物体在相互作用时，如果系统所受到的合外力为零，则系统的总动量保持不变。 （1）系统性；（2）矢量性；（3）同时性；（4）同系性；（5）普适性。 阅读材料： 动量守恒的普适性：动量守恒定律可以由牛顿运动定律导出，那么为什么还需要研究动量守恒定律？ 第一，动量守恒定律在处理系统问题只涉及过程始末的两个问题，并不需要像牛顿运动定律关注物体各个过程的受力和作用时间，避免问题复杂化。有一定优越性。 第二，事实上，近代物理发现，在高速（接近光速）、微观（小到分子、原子尺度）领域，牛顿运动定律不再适用，但动量守恒定律依然正确，动量守恒定律具有普适性。 如图所示，质量为M的木板B静止放置在光滑地面上，质量为m的物块A以初速度滑上木板B上，A与B之间有摩擦，B足够长。经过一段时间后，两者以相同速度一起在水平面上做匀速直线运动，请求出共速时两者的速度。 解：方法1：设AB间摩擦因数为μ，根据牛顿第三定律，有 根据牛顿第二定律，有 根据牛顿第二定律，有 整理得 方法2：由于A与B组成系统所受合外力为零，故A与B系统在此过程中动量守恒，有 应用动量守恒定律的步骤一般包括两步：①判断系统在此过程中动量守恒； ②明确初末系统动量，列出守恒式。 二、生活中的动量守恒定律 观看一段掷壶队员掷冰壶的视频，回顾教材情景：因为冰壶与冰面的摩擦因数很小，摩擦力可以忽略不计，假设掷壶队员手持冰壶从本垒圆心向前的速度，至前卫线冰壶出手瞬间，冰壶在水平方向上相对手的速度。假设掷壶队员的质量M=60kg，冰壶的质量m=20kg。 问题1：冰壶与掷壶队员组成的系统能否看成动量守恒？请说明原因？ 参考：水平方向上，由于地面近似光滑，系统近似不受合外力，故动量守恒。 问题2：冰壶出手后，掷壶队员的速度如何变化？根据情景当中的物理量把系统相互作用前后的动量表示出来。考虑情景中提到的冰壶相对手的速度，你认为应该注意什么？ 参考：由于动量守恒定律的同时性及同系性，描述系统相互作用前后必须是同一时刻及同一参考系，如果设作用后运动员的速度为,则冰壶的动量应表示为系统初动量为，系统末动量为则根据动量守恒 二、生活中的动量守恒定律 如图所示，用假人进行车辆碰撞测试中，两辆车相向碰撞，左车质量为,右车质量为，碰撞前左车的速度为,右车的速度为，两车碰撞后压缩到最靠近时可以看成共速。 问题1：汽车水平方向除了相互作用力，肯定还受到地面的摩擦力，你觉得撞击过程，两车构成的系统还能看成动量守恒吗？ 问题2：请你求出共速时两车的速度是多少？两车共速的速度方向向哪里？ 参考：由于汽车碰撞时时间极短，但内力巨大，两车的动量变化基本由两车相互作用力决定，地面摩擦力对两车产生的冲量较小，故近似看为动量守恒。 注意动量守恒定律的矢量性，设左车原速度方向为正方向，根据系统动量近似守恒，有 同理需讨论结果的正负所代表的矢量意义。 二、生活中的动量守恒定律 问题1：质量为M的篮球运动员持质量为m的球竖直跳至一定高度，用力向斜上方投出篮球，请对人和球进行受力分析，判断系统是否动量守恒？系统水平方向动量是否守恒？ 参考：由于两者除了受到内部相互作用力之外，竖直方向都受到重力，即系统竖直方向受力不平衡，故系统动量不守恒。系统水平方向只存在内部相互作用力的水平分力，故系统水平动量守恒。 二、生活中的动量守恒定律 问题2：如已知篮球员投球后，自己相对地面有向后的水平速度，则篮球获得向前的水平速度为多少？ 参考：由于系统水平方向动量为零，根据动量守恒定律可得 三、反冲运动 教材中的讨论与思考：观察演示实验，反冲小车停在桌面上，车上固定一个用胶塞塞住封口的试管，试管内充满空气，用车上的酒精灯加热试管尾端。当试管内的空气达到一定温度时，胶塞从试管口喷出，此时小车是否运动？胶塞从试管口喷出瞬间，整个反冲小车遵循动量守恒定律吗？若反冲小车总质量为M，胶塞质量为m，胶塞喷出时，胶塞相对地面速度为。小车会动起来吗？如果会，求反冲小车获得的速度。 参考：由于小车在水平方向所受的摩擦力较小，相对系统内力可以忽略不计，因而胶塞从试管口喷出瞬间，整个反冲小车在水平方向上动量守恒。 由于初始时，反冲小车静止，故系统总动量为零，而喷出过程系统动量守恒，则有 反冲运动：如果一个静止的物体在内力的作用下分裂成两个部分，一部分向某个方向运动，另一部分必然向相反的方向运动。这种现象叫作反冲。通常情况下，反冲运动中物体之间相互作用力很大，且作用时间极短，一般内力远大于外力，外力可以忽略不计，所以反冲运动可用动量守恒定律处理。 三、反冲运动 参考：此处可以播放水火箭、火箭、人站在滑板车互推视频，给学生们展示反冲运动在生产生活中的运用。 经过对万有引力及天体物理的学习，我们知道如果火箭要把卫星送到轨道上绕地球运动，必须有一定的发射速度，某火箭总质量为9t，内有燃料8t，为简化模型，假设发射时喷出的气体对地速度为2000m/s ，一次性喷出气体，如喷射气体时火箭获得的反冲作用力远大于火箭所受的万有引力及空气阻力，求火箭获得的发射速度？能否用此火箭来发射人造卫星？ 解：火箭静止在地上，系统总动量为零，由于情景中假定了反冲作用力远大于火箭所受的万有引力及空气阻力，故系统近似动量守恒，则有 火箭箭体获得速度小于第一宇宙速度7.9km/s，故不能把卫星送到轨道上绕地运动。 燃料质量 箭体质量 气体喷射速度 想要箭体获得更大的速度：①提升燃料质量与箭体质量之比，按照现有标准，这个比例值一般大于9；②研发新燃料及配套系统，提高气体喷射的速度。 三、反冲运动 教材阅读材料：实际上火箭的发射并不是一次性喷出气体，为了使火箭能达到发射人造地球卫星的速度要求，科学家提出了多级火箭的概念。如图所示，多级火箭由数级火箭组合而成，每一级火箭都装有发动机与燃料，从尾部最初一级开始，每级火箭燃料用完后自动脱落，同时下一级火箭发动机开始工作，使火箭继续加速前进。理论上火箭的速度可以提至很高，但是实际应用中一般不会超过四级，因为级数太多时，连接机构和控制机构的质量会增加很多，火箭的可靠性也会降低。我国现有酒泉、西昌、太原、文昌四大火箭发射场，他们在我国探索宇宙过程中发挥了巨大作用。 三、反冲运动 用火箭发射人造卫星，假设最后一节火箭的燃料用完后，火箭壳体和卫星一起以速度绕地球做匀速圆周运动。已知卫星质量M=500kg，最后一节火箭壳体的质量为100kg,某时刻火箭壳体与卫星分离，分离时卫星与火箭壳体沿轨道切线方向的相对速度，试分析计算： （1）分离后卫星的速度是多大？ （2）火箭壳体的速度是多大？（以地面为参考系） 解：设分离时卫星速度方向为正方向，分离后卫星的速度为,火箭壳体的速度为，由动量守恒，有 由题可知 联立方程解得 四、小结 动量守恒定律的应用 1.动量守恒定律的优越性： 动量守恒定律在处理系统问题时只涉及过程始末，并不需要像牛顿运动定律关注物体各个过程的受力和作用时间，避免问题复杂化，有一定优越性。 2.应用动量守恒定律的注意事项： ②应注重动量守恒定律的应用条件，可以分为 ①系统合外力为零，即严格守恒。（光滑水平面滑板系统） ②系统内物体间的作用力远大于合外力的作用，则合外力可以忽略，即近似守恒。（碰撞、爆炸） ③虽然系统合外力不为零，但垂直于合外力方向上，单方向动量守恒。（篮球跳投等） ③列出动量守恒式应注意系统性、矢量性、同时性、同系性等。如题目中出现相对速度，应转化为相对统一参考系的速度进行列式。 3.反冲运动：喷气式飞机、火箭、水火箭、打枪、大炮等。 ①注意应用动量守恒定律的方法和步骤。 拓展延伸 可以利用反冲现象设计一些有利于人们生产生活的工具，上面的旋转喷灌就是利用喷水过程使洒水器自身旋转起来，并不需要外加电源。 拓展延伸 步枪射击时有很大的反冲作用，此时正确的做法是用肩部顶着枪托，为射击提供较大的支撑力。 $