运用动量定理应注意的问题

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  在求解力学问题时,我们常常要用到动量定理,可以使得解题过程简捷、明了.但是,如果稍有疏忽也很容易出错.在运用动量定理求解有关的问题时,必须注意以下几个方面的问题.
  1注意动量定理的矢量性
  例1科学家们设想在未来的航天事业中,用太阳帆来加速星际宇宙飞船.按照近代光的粒子说,由光量子组成,飞船在太空中张开太阳帆,使太阳光垂直射到太阳帆上,太阳帆的面积为S,太阳帆对光的反射率为100%.设太阳帆上每单位面积每秒到达n个光子,若每个光子的动量为p,飞船的总质量为m.求飞船加速度的表达式.若太阳帆面对阳光的一面是黑色的,情况又将如何?
  解析由于太阳帆对光的反射率为100%,所以反射后光子的动量大小仍为p,只不过方向相反.设反射后光子的运动方向为正方向,则每个光子动量改变量的大小为Δp=p-(-p)=2p,则由动量定理可得Ft=n[p-(-p)]St,所以F=2npS,故飞船的加速度为a1Fm2npSm.
  如果太阳帆面对阳光的一面是黑色的,则它对太阳光的反射率为零,则有a2npSm.
  点评在动量定理中,冲量和动量均为矢量,因此动量定理的表达式是个矢量式.对于物体间相互作用前后,各量的方向均在一条直线上的情况,可选取某一方向为正方向,这样各量的方向就可用正负号表示,矢量运算就变成了代数运算,从而可以使解题过程大为简化.
  2注意动量定理的瞬时性
  例2把重物压在纸带上,用一水平力缓慢拉动纸带,重物会随着纸带一起运动;如果迅速拉动纸带,纸带将会被从重物下面抽出,下面对这种现象解释正确的是
  A.在缓慢拉动纸带时,重物与纸带之间的摩擦力大
  B.在迅速拉动纸带时,纸带给重物的摩擦力大
  C.在缓慢拉动纸带时,纸带给重物的冲量大
  D.在迅速拉动纸带时,纸带给重物的冲量大
  解析在缓慢拉动纸带时,纸带与重物之间的作用力是静摩擦力;在迅速拉动纸带时,它们之间的作用力是滑动摩擦力.由于通常认为滑动摩擦力等于最大静摩擦力,所以一般情况是:缓慢拉,摩擦力小;迅速拉,摩擦力大.故选项A、B均错.
  缓慢拉动纸带时,摩擦力虽然小些,但作用时间延长了,故此重物获得的冲量即动量的改变可以很大,所以能被纸带带动;迅速拉动时,摩擦力虽然大些,但由于作用时间很短,故冲量小,所以重物的动量改变小.因此选项C、D正确.
  点评用动量定理解释的现象一般可以分为两类:一类是物体的动量变化一定,此时力的作用时间越短,力就越大;力的作用时间越长,力就越小.如解释茶杯从相同的高度落下,为什么掉在水泥地上易碎,掉在棉花上却不会损伤.另一类是作用力一定,此时力的作用时间越长,动量变化越大;力的作用时间越短,动量变化越小.
  3注意力的冲量与动量变化的等效替代性
  例3质量为m的物体,沿半径为R的轨道以速率v做匀速圆周运动.求物体所受到的合外力在半圆周内的冲量.
  解析物体所受到的合外力很容易由圆周运动的知识求出,即F=mv2R,物体运动半圆周所用的时间可由v和R求得tπRv.但由于合外力的方向是不断变化的,不能用Ft直接求F的冲量,这时我们可以求出Δp来等效代替冲量I,即I=mv-(-mv)=2mv,方向与末速度的方向相同.
  点评在曲线运动中,速度方向时刻在发生着变化,求动量的变化Δp(=p′-p)需要应用矢量运算方法,比较麻烦.如果作用力是恒力,可以求出恒力的冲量等效代换动量的变化.
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