動(dòng)量守恒定律是宏觀世界和微觀世界都遵守的共同規(guī)律,應(yīng)用非常廣泛,也是中學(xué)物理教學(xué)的重點(diǎn)和難點(diǎn)。在應(yīng)用動(dòng)量守恒定律解題時(shí),錯(cuò)誤往往出在動(dòng)量守恒定律應(yīng)用的“五性”,即:條件性、整體性、相對(duì)性、矢量性、同時(shí)性的處理上。因此在指導(dǎo)學(xué)生應(yīng)用動(dòng)量守恒定律解題時(shí),必須注意處理好“五性”,才可以使學(xué)生避免一些常見的錯(cuò)誤,收到良好的效果。
一、條件性
動(dòng)量守恒定律成立時(shí)的受力情況有以下三種情況:
(1)系統(tǒng)受到的合外力為零的情況。
(2)系統(tǒng)所受的外力比相互作用力(內(nèi)力)小很多,以致可以忽略外力的影響。
?。?)系統(tǒng)整體上不滿足動(dòng)量守恒的條件,但在某一特定方向上,系統(tǒng)不受外力或所受的外力遠(yuǎn)小于內(nèi)力,則系統(tǒng)沿這一方向的分動(dòng)量守恒。
例如在光滑水平面上有一個(gè)彈簧振子系統(tǒng),如圖所示,兩振子的質(zhì)量分別為m和m。討論此系統(tǒng)在振動(dòng)時(shí)動(dòng)量是否守恒?
分析:由于水平面上無摩擦,故振動(dòng)系統(tǒng)不受外力(豎直方向重力與支持力平衡)。所以此系統(tǒng)振動(dòng)時(shí)動(dòng)量守恒,即向左的動(dòng)量與向右的動(dòng)量大小相等。
承上題,但水平地面不光滑,與兩振子的動(dòng)摩擦因數(shù)μ相同,討論m=m和m≠m兩種情況下振動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)量是否守恒。
分析:m和m所受摩擦力分別為f=μmg和f=μmg。由于振動(dòng)時(shí)兩振子的運(yùn)動(dòng)方向總是相反的,因此f和f的方向總是相反的。如圖:
對(duì)m和m振動(dòng)系統(tǒng)來說,合外力F=f+f,但注意是矢量合成。實(shí)際運(yùn)算時(shí)為
F=μmg-μmg
顯然,若m=m,則F=0,則動(dòng)量守恒;
若m≠m,則F≠0,則動(dòng)量不守恒。
二、系統(tǒng)的整體性
動(dòng)量守恒定律是對(duì)一個(gè)物體系統(tǒng)而言的,具有系統(tǒng)的整體性,而對(duì)物體系統(tǒng)的一部分,動(dòng)量守恒定律就不適用了。
例:如圖所示,質(zhì)量為M的小車中有一個(gè)豎直放置的被壓縮的彈簧,其上部放有一個(gè)質(zhì)量為m的小球。小車以速率v向右做勻速運(yùn)動(dòng),中途突然將彈簧釋放,小球被彈簧彈出,此后小車的速率為多大?
【錯(cuò)誤解法】運(yùn)用動(dòng)量守恒定律:(M+m)?v=Mv′?搖?搖解得:v′=(M+m)?v/M
【錯(cuò)誤原因】小球在彈出之前,球和車是一個(gè)整體。小球彈出的過程中,在水平方向上,小球與小車沒有發(fā)生相互作用,因此,小球離開小車后在水平方向上應(yīng)與小車仍保持著同樣的速度。在小球脫離小車的瞬間仍應(yīng)視小球和小車為同一系統(tǒng),而不應(yīng)該用系統(tǒng)的一部分——小車來代替系統(tǒng),因而解答不正確。
【正確解法】在水平方向上系統(tǒng)運(yùn)用動(dòng)量守恒定律:
?。∕+m)v=Mv′+mv′?搖?搖得到:v′=v
三、相對(duì)性
例:如圖所示,在光滑的水平面上,一輛平板車載著一人以速度V=6m/s水平向左勻速運(yùn)動(dòng),已知車的質(zhì)量M=100Kg,人的質(zhì)量m=60Kg,某一時(shí)刻,人突然相對(duì)于車以u(píng)=5m/s的速度向右奔跑,求人奔跑時(shí)車的速度多大?
【錯(cuò)誤解法一】根據(jù)(M+m)v=Mv+mu求解
【錯(cuò)誤原因】違反了動(dòng)量守恒要選取同一參考系的原則,式中u為人相對(duì)于車而并非相對(duì)于地的速度。
【錯(cuò)誤解法二】由(M+m)v=Mv+m(v-u)求解
【錯(cuò)誤原因】違反了兩邊速度滿足同時(shí)性的原則,式中(v-u)不是人奔跑時(shí)相對(duì)于地的速度,人奔跑時(shí)相對(duì)于地的速度應(yīng)該是人對(duì)車發(fā)生作用后的速度,而不是人相對(duì)車作用前的速度。
【正確解法】設(shè)車速為v,人相對(duì)于地的速度為(v-u)(設(shè)向右為正方向),由動(dòng)量守恒定律列式:(M+m)v=Mv+m(v-u),解得v=7.88m/s。
四、矢量性
動(dòng)量守恒是指系統(tǒng)內(nèi)各物體的動(dòng)量的矢量和保持不變。動(dòng)量守恒定律的數(shù)學(xué)表達(dá)式mv+mv=mv+mv是一個(gè)矢量方程式,應(yīng)用時(shí)必須選定正方向,凡是與正方向相同的速度取正,反之取負(fù)。解題時(shí)必須運(yùn)用矢量法則來計(jì)算初、未狀態(tài)矢量和。因此,不僅要注意動(dòng)量的大小,還要注意動(dòng)量的方向。
例:光滑水平面上有A、B兩物體,A物體質(zhì)量為m=0.2kg,速度為v=5m/s;B物體質(zhì)量為m=0.5kg,原來靜止。兩物體發(fā)生碰撞,A物被彈回。若在碰后1s末兩物體相距3.4m,則碰后A、B兩物體的速度多大?
【錯(cuò)誤解法】應(yīng)用動(dòng)量守恒定律:
mv=-mv′+mv′
s=v′t+v′t
解得:v′=(ms/t-mv)/(m+m)
v′=s/t-(ms/t-mv)/(m+m)
【錯(cuò)誤原因】解題過程中沒有考慮A球碰撞后動(dòng)量方向的變化,而是簡(jiǎn)單地運(yùn)用了算術(shù)和,忽略了動(dòng)量的矢量性,所以解答是錯(cuò)誤的。
【正確解答】代入有關(guān)數(shù)據(jù)得:v′=1m/s;v′=2.4m/s。
五、同時(shí)性
動(dòng)量守恒是對(duì)系統(tǒng)內(nèi)物體相互作用過程來說的,系統(tǒng)某一時(shí)刻的總動(dòng)量應(yīng)是系統(tǒng)內(nèi)各物體在該時(shí)刻的動(dòng)量的矢量和,在應(yīng)用動(dòng)量守恒定律時(shí),不應(yīng)將不同時(shí)刻時(shí)的動(dòng)量合成。
例:光滑水平面上有一質(zhì)量為M的小車,以速度v勻速運(yùn)動(dòng),車上有一質(zhì)量為m的人站在車的后端。若人以速度u相對(duì)于車向后跳出。問人跳出后車的速度多大?
【錯(cuò)誤解答】應(yīng)用動(dòng)量守恒定律列出方程:
?。∕+m)v=Mv′-m(u-v)?搖?搖解得:v′=(Mv+mu)/M
【錯(cuò)誤原因】解答時(shí)考慮了整體性、矢量性、相對(duì)性。但這個(gè)結(jié)果仍是錯(cuò)的,原因是v為人未跳出前系統(tǒng)的速度,-m(u-v)就不能代表人跳出后入的動(dòng)量。所以解答是錯(cuò)誤的。
【正確解法】人跳出后瞬間人的動(dòng)量為-m(u-v′)。
方程應(yīng)是:(M+m)v=Mv′-m(u-v′)?搖?搖解得:v′=v+mu/(M+m)
由此可見,在運(yùn)用動(dòng)量守恒定律解題時(shí),既要考慮其適用條件,又要特別注意它的整體性、相對(duì)性、矢量性、同時(shí)性。