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2,质点动力学2,质点动力学
2.1 牛顿运动定律及其应用 2.2 惯性系及非惯性系 2.3 功和能 2.4 动量定理和动量守恒定律 2.5 质心运动定理 2.6 对心碰撞 2.7 质点的角动量定理和角动量守恒定律 将一根质量为m、长度为L的均质柔绳竖直地悬挂起来,使其下端恰好与地面接触,如图所示。若将此绳上端由静止状态释放,让其自由下落到地面上。 当绳子下落l长度时,地面对绳的作用力。 例 解 求 以地面为坐标原点,沿竖直方向为y轴。 在dt 时间内,dy = v dt 的一小段绳子继续落地。以dy 绳子为研究对象,则其质量为 当绳子下落l长度时,未落地部分的绳子的速率为 (方向向下) dy这一小段绳子受力为:地面的平均冲力 和重力 忽略重力,则对dy应用动量定理,有 代入v 的表达式 dy对地面的作用力为 已落到了地面上l长度的绳子对地面的正压力为 地面受到总作用力为 2.4.3 质点系的动量定理 内力: 外力: 对质点系中的各质点应用动量定理 t1 时刻,两质点的速度分别为 t2 时刻,两质点的速度分别为 对质点1,有 对质点2,有 两式相加,得 其中 推广到n个质点的质点系,有 或 系统所受合外力的冲量等于质点系总动量的增量 (质点系动量定理) 说明 注意其分量式 内力的作用不改变系统的动量,但通常会改变系统的动能。 根据系统的动量定理可知: 2.4.4 动量守恒定律 当合外力 则 质点系所受合外力为零时,质点系的总动量保持不变。 (质点系的动量守恒定律) 讨论 若系统的合外力不为零,但可能合外力在某一方向的分量 等于零,则该方向的总动量守恒。 (动量守恒定律在直 角坐标系中的分量式) = 常量 当 = 常量 当 = 常量 当 系统的总动量守恒并不意味着系统内各个质点的动量不 变,而是指系统动量总和不变; 内力的作用:内力不改变系统的总动量,但可以改变系统 中各质点的动量,使系统的总动量在系统各质点间的分配 发生变化; 动量守恒定律是自然界的普遍定律之一,对于宏观物体和 微观粒子都适用。 3、外力内力时,动量近似守恒。例如碰撞和爆炸。 1、只适用于惯性系。 2、若某方向的合外力为零,则沿这方向动量守恒。 如果合外力为零,则质点系的总动量不随时间改变 常矢量 一装沙车以速率v = 3m/s从沙斗下通过,每秒钟落入车厢的沙为?m = 500kg,如果使车厢的速率保持不变,应用多大的牵引力?(设车与轨道的摩擦不计) 设t时刻已落入车厢沙子的质量与沙车的质量之和为m,dt时间内即将落入的沙子质量为dm。 以m和dm为研究系统 t + dt时刻的动量为 t时刻水平总动量为 动量的增量为 例 解 根据动量定理 水力采煤、墙面清洗等过程用的高压水枪,以v0 = 30m/s的速率向墙垂直喷出截面积S = 3×10-4m2的水柱,如图所示。与墙冲击后,水滴向四周均匀飞溅形成一个半顶角q = p/3的圆锥面,飞溅速率v = 4m/s。 以Dt时间内喷向墙面的水柱中的水为研究对象。 水柱对墙面的冲击力。 例 解 求 设其质量为m,在图示的直角坐标系中,墙面对其沿x轴方向的作用力为Fx 沿x轴方向应用动量定理的分量式,有 墙对水柱的净作用力沿轴方向,即垂直于墙面。 根据牛顿第三定律,水柱给墙面的平均冲击力为 将已知参数代入上式,得 方向沿x轴负向。 一个有1/4圆弧滑槽、半径为R的大物体质量为m1,停在光滑的水平面上,另一质量为m2的小物体从圆弧滑槽顶点由静止下滑。 取如图所示坐标系 取m1和m2为一系统 设 和 为下滑过程中m1和m2相对于地面的速度 当小物体m2滑到底时,大物体m1在水平面上移动的距离。 例 解 求 水平方向系统动量守恒 设t = 0时m2在圆弧顶点,t 时刻滑到最低点,对上式积分,有 设s1和s2分别表示m1和m2在水平方向移动的距离,则有 则 由伽利略速度变换式 式(1)和(2)式联立,有 又有 即 思考:此距离值与弧形槽面是否光滑有关? 火箭是一种自带燃料和助燃剂的太空飞行器,它依靠燃料燃烧喷出的气体所产生的反冲推力向前推进。设不计地球引力和空气阻力。 例 解 设各量如图。图中dm 0,且v、v + dv 、u三个速度均为相对于地面参考系的速度。 则在时间dt内,系统动量的增量为 略去二阶无穷小,则有 求 火箭所能达到的最大速度。 设喷气出口的相对速度为vr,即 则系统动量的增量可表示为 不计地球引力和空气阻力,火箭系统的动量守恒,即 取竖直向上作为x轴的正方向,则 设火箭发射时的质量为mi,初速度为vi,燃料耗尽时的质量为mf,末速度为vf。 通常喷气出口速度vr为常量,积分得 例
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