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中图分类号:G633.7文献标识码:C
1 “人船模型”与平均动量守恒
如果一个系统相互作用前均静止,在运动过程中动量守恒(或某一方向上动量守恒),则该过程中任一时刻的动量守恒,即该过程中平均动量,对同一参照系的位移。平均动量守恒在“人船模型”中应用较为广泛。
例:静止在水面上的船长为,质量为M,一个质量为m的人站在船头,当此人由船头走到船尾时,不计水的阻力,则船移动的距离为多少?
演变1:船尾连有一块木板,不计水的阻力和木板跟岸间摩擦,当人从船头走到船尾,并继续由木板走到岸上,木板的长度至少为多少?
分析:如图2,设木板长x,则人对地走L米时,船前进x米,由平均动量守恒得:M·x=m·L 即:x=ML/M
演变2:若船的中间放有一质量为m[,0]的物体,人从船头走到船中间,抱起物体后共同走到船尾,则船移动的距离为多少?
演变3:若人将船中间的物体抱回放在船头,人再走到船尾,船移动的距离为多少?
演变4:若在船头有质量为m[,1]的人,在船尾有质量为m[,2]的人,当两人交换位置后,求船移动的距离?
演变5:人在静止的船上练习射击,船、人连同枪(不含子弹)及靶总质量为M,枪内有n颗质量为m的子弹,枪口到靶的距离为L,在发射一颗子弹时,前一颗子弹已陷于靶中,则发射完n颗子弹后小船后退的距离为多少?
分析:设每射击一颗子弹小船后退的距离为s[,1],则由平均动量守恒得:
同理,斜面上物块滑动问题,小车上物体的运动问题,只要满足平均动量守恒的条件,我们皆可归纳入“人船模型”中。
2 “滑块模型”与动量守恒,动量定理,动能定理,功能关系
此类模型分析过程中抓住三个关键点:最终是否有共同速度;系统是否受外力,即应用动量守恒定律还是动量定理;过程中的功能关系。
例:质量为m的物体(可视为质点),以水平初速度V[,0]滑上原来静止在光滑水平面上的质量为M的小车上,物体与小车上表面间的摩擦因数为μ,小车足够长,求:(1)物体从滑上小车到相对小车静止所经历的时间;(2)相对于小车物体滑动的距离是多少?(3)从滑上小车到相对小车静止的这段时间内小车通过的距离。如图7。
分析:滑块m滑上小车后受到滑动摩擦力f=μmg作用作匀减速运动,小车受到向前的摩擦力f'=μmg作用而作匀加速运动,速度相同时相对静止一起作匀速运动。
(1)对系统合外力为零,由动量守恒得:
演变1:若M(>m)具有向左的初速度v[,0],滑块恰好没有滑离小车,求滑块向右运动到达的最远处(从地面看)距出发点的距离(92年全国高考试题)。
分析:初状态M的动量大于m的动量,滑块向右减速到零后又向左加速,最后系统以向左的相同速度运动(如图8)
演变2:光滑的水平面上有质量为M的滑块,其中AB部分为光滑的1/4圆周,半径为R;BC水平但不光滑,长L;一滑块(可视为质点)m,从A点由静止释放,最后停于C点,求滑块与BC间的滑动摩擦因数。如图9。
分析:此滑块运动到B点时,M、m的速度皆由初状态滑块在A处的势能转化而来,且系统初动量为零,最后同时停止。对m由A→B的过程,系统机械能守恒:
则转化为“演变1”的思路。(略)
演变3:如图10,光滑的水平台面上静止着一长为L的木板,若滑块初时刻静止在木板的左端,一颗质量为m[,0]的子弹以初速v[,0]射向滑块且以v'穿出,求滑块相对于木板滑行的距离(或已知木板为L,求不至滑下的摩擦因数等)。
分析:滑块的初速度来自于与子弹的碰撞,碰撞后滑块以v[,1]在木板上滑动。对子弹与滑块系统,射穿过程动量守恒:
演变4:在木板右端固定一个带弹簧的挡板,如图11,已知滑块初速v[,0],木板长L,滑块与木板间摩擦因数为μ,地面光滑,碰撞不损失能量,最后滑块刚好回到A点与木板保持相对静止,求弹簧压缩的最大弹性势能E[,p]及滑块相对于木板通过的总路程S。
分析:滑块的木板上滑行及与弹簧作用的过程中,系统满足动量守恒,当弹簧压缩最大及滑块回到A点时,两者相对静止,速度为v[,共]
在力学问题中,此类模型的物理情景很多,如子弹射入光滑水平面上的木板中——外部滑块变成内部滑块“子弹”;前面各题中若地面不光滑,则动量守恒条件不再满足,可改用动量定理等。
3 追击问题模型
此类模型的关键点是找出恰好追上或恰好追不上的临界条件,常用的解法有,抓住位移时间两个关联量,用运动学公式求解;运用图求解;运用相对运动知识求解。
例:一辆汽车以3m/s[2]的加速度从静止开始行驶,恰在这时一辆自行车以6m/s的速度匀速行驶,且从后边赶过汽车,问:
(1)汽车追上自行车时速度是多少?
(2)汽车追上自行车前经多长时间两车相距最远?最远距离是多少?
分析:汽车启动后速度由零逐渐增大,而自行车匀速运动,当v[,汽]<v[,自]时,两者距离越来越大,故临界条件为:两者速度相等时,相距最远。
解法一(公式法):
解法二(图象法):汽车、自行车v-t图如图12。
(1)由图12知,相遇前t时刻速度相等,自行车的位移(矩形面积)与汽车位移(三角形面积)之差(即斜线部份)最大,
演变1:若汽车甲以3m/s[2]由静止做匀加速直线运动,汽车乙落后2秒钟在同一地点出发,以4m/s[2]做匀加速直线运动,两车方向一致,问乙车追上甲车前,两车的最大距离为多少?
分析:两车速度相等时,相距最远。
同理用上述三种方法皆可求解
(公式法、相对运动法略)
图象法
同理,还可以演变为同时不同地的追击问题,相遇问题,自由下落与竖直上抛的相遇问题等,皆可用以上三种方法去试解之。
综上所述,在物理教学中,对于每一个重要的知识点都应建立相应的物理模型,将多种变化的现象、过程、情景归纳入相同物理模型中,有利于培养学生的归纳能力、思维能力、解题能力,提高学生的物理素质。