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1、物理选修 3-5 教案 第十六章动量和动量守恒定律 161 动量守恒定律（一） 1动量及其变化 （1）动量的定义：物体的质量与速度的乘积，称为( 物体的 )动量。记为p=mv . 单位： kgm/s 读作“千克米每秒”。 矢量性：动量的方向与速度方向一致。 动量的大小等于质量和速度的乘积，动量的方向与速度方向一致。 （2）动量的变化量： 定义：若运动物体在某一过程的始、末动量分别为p 和 p，则称： p= p p 为物 体在该过程中的动量变化。 强调指出：动量变化 p 是矢量。方向与速度变化量v 相同。 一维情况下： p=m= m2- m1矢量差 2系统内力和外力 （1）系统：相互作用的物体组
2、成系统。 （2）内力：系统内物体相互间的作用力 （3）外力：外物对系统内物体的作用力 3动量守恒定律 （1）内容：一个系统不受外力或者所受外力的和为零，这个系统的总动量保持不变。 这个结论叫做动量守恒定律。公式： m11+ m22= m11+ m22 （2）注意点： 研究对象：几个相互作用的物体组成的系统（如：碰撞）。 矢量性：以上表达式是矢量表达式，列式前应先规定正方向； 同一性（即所用速度都是相对同一参考系、同一时刻而言的） 条件：系统不受外力，或受合外力为0。要正确区分内力和外力；当F内F外时， 系统动量可视为守恒； 162 动量守恒定律（二） 1分析动量守恒定律成立条件有： 答： F合
3、=0（严格条件） F内远大于 F外（近似条件） 某方向上合力为0，在这个方向上成立。 22112211 vmvmvmvm这就是动量守恒定律的表达式。 2应用动量守恒定律解决问题的基本思路和一般方法 （1）分析题意，明确研究对象。在分析相互作用的物体总动量是否守恒时，通常把这些 被研究的物体总称为系统. 对于比较复杂的物理过程，要采用程序法对全过程进行分段分析， 要明确在哪些阶段中， 哪些物体发生相互作用， 从而确定所研究的系统是由哪些物体组成的。 （2）要对各阶段所选系统内的物体进行受力分析，弄清哪些是系统内部物体之间相互作 用的内力，哪些是系统外物体对系统内物体作用的外力。在受力分析的基础上
4、根据动量守恒 定律条件，判断能否应用动量守恒。 （3）明确所研究的相互作用过程，确定过程的始、末状态，即系统内各个物体的初动量 和末动量的量值或表达式。 注意：在研究地面上物体间相互作用的过程时，各物体运动的速度均应取地球为参考系。 例 1、 （2001 年高考试题） 质量为 M的小船以速度 v0行驶，船上有两个质量皆为m的小孩 a 和 b，分别静止站在船头和船尾. 现在小孩 a 沿水平方向以速率 v（相对于静止水面）向前 跃入水中，然后小孩b 沿水平方向以同一速率v（相对于静止水面）向后跃入水中. 求小孩 b 跃出后小船的速度 . 解析：因均是以对地（即题中相对于静止水面）的水平速度，所以先
5、后跃入水中与同时跃入 水中结果相同。 设小孩 b 跃出后小船向前行驶的速度为v，取 v0 （M +2m ）v0=Mv +mv - mv v=（1+ M m2 ） 例 2、如图所示，甲车的质量是2 kg ，静止在光滑水平面上，上表面光滑，右端放一个质 量为 1 kg 的小物体 . 乙车质量为 4 kg ，以 5 m/s 的速度向左运动，与甲车碰撞以后甲车获 得 8 m/s 的速度，物体滑到乙车上. 若乙车足够长，上表面与物体的动摩擦因数为0.2 ，则 物体在乙车上表面滑行多长时间相对乙车静止?（g 取 10 m/s 2） 解析：乙与甲碰撞动量守恒： m 乙v乙=m乙v乙+m甲v甲 小物体 m在乙
6、上滑动至有共同速度vm乙v乙= （m +m乙）v 对小物体应用牛顿第二定律得a=g所以 t =v/ gt =0.4 s 163 用动量概念表示牛顿第二定律 1用动量概念表示牛顿第二定律 假设一个物体在恒定的合外力作用下，做匀变速直线运动， 在t 时刻初速度为 v，在 t 时刻的末速度为v，试推导合外力的表达 式。 如图所示，由牛顿第二定律得，物体的加速度 vt vv a 合力 F=ma tt pp tt mvvm vt vv m vv F 由于ppp，ttt所以， t p F（1） 结论：上式表示，物体所受合外力等于物体动量的变化率。这就是牛顿第二定律的另一 种表达式。 2动量定理 将（1）式
7、写成mvvm)(ttF（2） 总结：表达式左边是物体从t 时刻到 t 时刻动量的变化量，右边是物体所受合外力与 这段时间的乘积。（2）式表明，物体动量的变化量，不仅与力的大小和方向有关，还与时间 的长短有关，力越大、作用时间越长，物体动量的变化量就越大。)(ttF这个量反映了力对 时间的积累效应。 物理学中把力 F与作用时间的乘积，称为力的冲量，记为I ，即 )(ttFI，单位： Ns，读作“牛顿秒”。 将（2）式写成Ipp（3） （3）式表明， 物体动量的变化量等于物体所受合外力的冲量，这个结论叫做动量定理。 讨论：如果物体所受的力不是恒力，对动量定理的表达式应该怎样理解呢 总结：尽管动量定
8、理是根据牛顿第二定律和运动学的有关公式在恒定合外力的情况下推 导出来的。可以证明：动量定理不但适用于恒力，也适用于随时间变化的变力。对于变力情 况，动量定理中的F应理解为变力在作用时间内的平均值。 比如用铁锤钉钉子，球拍击乒乓球等，钉子和乒乓球所受的作用力都不是恒力，这时变 力的作用效果可以等效为某一个恒力的作用，则该恒力就叫变力的平均值， 3 动量定理的方向性 例如：匀加速运动合外力冲量的方向与初动量方向相同，匀减速运动合外力冲量方向与 初动量方向相反，甚至可以跟初动量方向成任何角度。在中学阶段，我们仅限于初、末动量 的方向、合外力的方向在同一直线上的情况（即一维情况），此时公式中各矢量的方
9、向可以用 正、负号表示，首先要选定一个正方向，与正方向相同的矢量取正值，与正方向相反的矢量 取负值。 动量和动量守恒复习课 典型举例 问题一：动量定理的应用 例 1：质量为 m的钢珠从高出沙坑表面H米处由静止自由下落， H 不考虑空气阻力，掉入沙坑后停止，如图所示，已知钢珠在沙坑中受到沙的平均阻力是f ， 则钢珠在沙内运动时间为多少？ 分析：此题给学生后，先要引导学生分清两个运动过程：一是在空气中的自由落体运动， 二是在沙坑中的减速运动。学生可能会想到应用牛顿运动定律和运动学公式进行分段求解， 此时不急于否定学生的想法，应该给予肯定。在此基础上，可以引导学生应用全过程动量定 理来答题 设钢珠在
10、空中下落时间为t1，在沙坑中运动时间为t2，则： 在空中下落，有H= 2 1 2 1 gt，得 t1= g H2 , 对全过程有： mg(t1t2) f t 2=00 得： mgf gHm t 2 2 例 2：一根弹簧上端固定，下端系着质量为m的物体 A，物体 A静止时的位置为P处，再 用细绳将质量也为m的物体 B挂在物体 A的下面，平衡后将细绳剪断，如果物体A回到 P点 处时的速率为 V，此时物体 B的下落速度大小为u，不计弹簧的质量和空气 阻力，则这段时间里弹簧的弹力对物体A的冲量大小为多少？ 解析：引导学生分析，绳子剪断后，B加速下降， A加速上升，当 A回 到 P点时，A的速度达到最大
11、值。 尤其要强调的是本题中所求的是弹簧的弹 力对物体 A的冲量，所以要分析清楚A上升过程中 A的受力情况。 解：取向上方向为正， 对 B：mgt=mu 1 对 A：I弹mgt=mv 2 两式联立得 I弹=m （vu） 问题二：动量守恒定律的应用 例 3：质量为 M 的气球上有一质量为 m 的猴子，气球和猴子静止在离地高为 h 的空中。从气球上放下一架不计质量的软梯，为使猴子沿软梯安全滑至地面，则软梯 至少应为多长？ 解析：设下降过程中，气球上升高度为H，由题意知猴子下落高度为h， 取猴子和气球为系统，系统所受合外力为零，所以在竖直方向动量守恒，由动量 守恒定律得：M H=m h， 解得 M m
12、h H所以软梯长度至少为 M hmM HhL )( 例 4：一质量为 M的木块放在光滑的水平桌面上处于静止状态，一颗质量为 m的子弹以速 度 v0沿水平方向击中木块，并留在其中与木块共同运动，则子弹对木块的冲量大小是： A、mv0； B 、 mM mMv0 ； C、mv0 mM mv0 ；D、mv0 mM vm 0 2 m m m A A B P 解析：题中要求子弹对木块的冲量大小，可以利用动量定理求解，即只需求出木块获得的动 量大小即可。 对子弹和木块所组成的系统，满足动量守恒条件，根据动量守恒定律得： mv0=（M+m ） v 解得 ： mM mv v 0 ， 由 动 量 定 理知 子弹
13、对木 块的 冲量 大小 为 mM Mm v MvI 0 应用动量守恒定律解题的一般步骤： 1明确研究系统，判断是否守恒； 2选取正方向，明确作用前总动量和作用后总动量； 3由动量守恒定律p前=p后列方程求解 171 科学的转折：光的粒子 1光电效应 用弧光灯照射擦得很亮的锌板， ( 注意用导线与不带电的验电器相连） ， 使验电 器张角增大到约为 30 度时，再用与丝绸磨擦过的玻璃棒去靠近锌 板，则验电器的指针张角会变大。 表明锌板在射线照射下失去电子而带正电。 概念：在光 ( 包括不可见光 ) 的照射下，从物体发射电子的现象叫做光电效应。发射出来的电 子叫做光电子。 2光电效应的实验规律 （1
14、）光电效应实验 如图所示，光线经石英窗照在阴极上，便有电子逸出-光电子。 光电子在电场作用下形成光电流。 概念：遏止电压 将换向开关反接，电场反向，则光电子离开阴极后将受反向电场阻碍 作用。 当 K、 A 间加反向电压，光电子克服电场力作功， 当电压达到某一值U c 时，光电流恰为0。 Uc称遏止电压。 根据动能定理，有 （2）光电效应实验规律 光电流与光强的关系饱和光电流强度与入射光强度成正比。 截止频率 c -极限频率 对于每种金属材料，都相应的有一确定的截止频率c 。 2 2 1 cev m c eU 当入射光频率 c时，电子才能逸出金属表面；当入射光频率 c时，无论光强 多大也无电子逸
15、出金属表面。 光电效应是瞬时的。从光开始照射到光电子逸出所需时间10-9s。 3光电效应解释中的疑难 光电效应实验表明：饱和电流不仅与光强有关而且与频率有关，光电子初动能也与频率 有关。只要频率高于极限频率，即使光强很弱也有光电流；频率低于极限频率时，无论光强 再大也没有光电流。光电效应具有瞬时性。而经典认为光能量分布在波面上，吸收能量要时 间，即需能量的积累过程。 为了解释光电效应， 爱因斯坦在能量子假说的基础上提出光子理论，提出了光量子假设。 4爱因斯坦的光量子假设 （1）内容光不仅在发射和吸收时以能量为h的微粒形式出现， 而且在空间传播时也是 如此。也就是说，频率为 的光是由大量能量为h
16、V的光子组成的粒子流，这些光子沿 光的传播方向以光速c 运动。 （2）爱因斯坦光电效应方程在光电效应中金属中的电子吸收了光子的能量，一部分消耗 在电子逸出功 W0，另一部分变为光电子逸出后的动能 Ek。由能量守恒可得出： 0 h K EW W0为电子逸出金属表面所需做的功，称为逸出功Ek为光电子的最大初动能。 （3）爱因斯坦对光电效应的解释： 光强大，光子数多，释放的光电子也多，所以光电流也大。 电子只要吸收一个光子就可以从金属表面逸出，所以不需时间的累积。 从方程可以看出光电子初动能和照射光的频率成线性关系 从光电效应方程中，当初动能为零时，可得极限频率： h W c 0 爱因斯坦光子假说圆
17、满解释了光电效应，但当时并未被物理学家们广泛承认，因为它完 全违背了光的波动理论。 18 1 氢原子光谱 1光谱 牛顿就发现了日光通过三棱镜后的色散现象，并把实验中得到的彩色光带叫做光谱。 讲述：光谱是电磁辐射（不论是在可见光区域还是在不可见光区域）的波长成分和强度 分布的记录。有时只是波长成分的记录。 （1）发射光谱 物体发光直接产生的光谱叫做发射光谱。 发射光谱可分为两类：连续光谱和明线光谱。 连续分布的包含有从红光到紫光各种色光的光谱叫做连续光谱。 只含有一些不连续的亮线的光谱叫做明线光谱。明线光谱中的亮线叫 谱线，各条谱线对应不同波长的光。 炽热的固体、液体和高压气体的发射光谱是连续光
18、谱。例如白炽灯丝发出的光、烛焰、 炽热的钢水发出的光都形成连续光谱。如图所示。 稀薄气体或金属的蒸气的发射光谱是明线光谱。明线光谱是由游离状态的原子发射的，所以 也叫原子的光谱。 实践证明，原子不同，发射的明线光谱也不同，每种原子只能发出具有本 身特征的某些波长的光，因此明线光谱的谱线也叫原子的特征谱线。如图所示。 （2）吸收光谱 高温物体发出的白光（其中包含连续分布的一切波长的光）通过物质时，某些波长的光 被物质吸收后产生的光谱，叫做吸收光谱。各种原子的吸收光谱中的每一条暗线都跟该种原 子的原子的发射光谱中的一条明线相对应。这表明，低温气体原子吸收的光，恰好就是这种 原子在高温时发出的光。因
19、此吸收光谱中的暗谱线，也是原子的特征谱线。太阳的光谱是吸 收光谱。如图所示。 （3）光谱分析 由于每种原子都有自己的特征谱线，因此可以根据光谱来鉴别物质和确定的化学组成。 这种方法叫做光谱分析。 原子光谱的不连续性反映出原子结构的不连续性，所以光谱分析也可以用于探索原子的结构。 182 玻尔的原子模型 1玻尔的原子理论 （1） 定态假设：原子只能处于一系列不连续的能量状态中，在这些状态中原子是稳定的， 电子虽然绕核运动，但并不向外辐射能量。这些状态叫定态。 （2）跃迁假设：电子从能量较高的定态轨道（设能量为Em）跃迁到能量较低的定态轨道 （设能量为 En，m n）时，会放出能量为 hv 的光子，光子的能量由这两种定态的能量差决定， 即 nm EEh （h 为普朗克恒量）。这个式子称为频率条件，又称辐射条件。反之，当电子 吸收光子时会从较低的能量态跃迁到较高的能量态，吸收的光子的能量同样由频率条件决定。 （3）轨道量子化假设： 围绕原子核运动的电子轨道半径只能是某些分立的数值，这种现象叫轨道量子化；不同 的轨道对应着不同的状态，在这些状态中，尽管电子做变速运动，却不辐射能量，因此这些