师:今天我们来讲粤教版物理选择性必修一第一章第三节动量守恒定律。首先回顾前面两节学过的知识,动量定理,物体所受合力的冲量等于物体动量的改变量,公式为$FT = MV_1' - MV$ 。另外,这堂课还会用到以前学过的牛顿第三定律,相互作用的两个物体之间的作用力和反作用力总是大小相等、方向相反,作用在同一条直线上,写成公式就是$f = - f'$,负号表示两个力方向相反。

  前面学过动量定理,知道如果一个物体所受合外力为0,则其动量不发生变化。那么对于两个物体组成的系统,当系统合外力为0时,系统的动量会不会发生变化呢?为使讨论更顺畅,表述更严谨,我们界定几个概念。

  系统,两个或多个相互作用的物体构成的整体叫做一个力学系统,简称系统。可按解决问题的需要灵活选取系统。自然界中系统广泛存在,大到太阳系中各行星与太阳因相互作用力构成的系统,小到原子内核外电子绕原子核高速旋转构成的系统。

  内力,系统内物体间的相互作用力。外力,系统外部其他物体对系统的作用力。注意内力和外力的区分依赖于系统的选取,只有确定了系统,才能确定内力和外力。一个力究竟是内力还是外力如何判断呢?以上述学生相互推的运动为例,学生对学生的推力,施力物体和受力物体都在系统内,所以是内力。学生的重力和地面对学生的支持力,施力物体都在系统外,所以是外力。

  下面看今天要研究的问题,以两个物体碰撞构建模型。在光滑水平面上做匀速运动的两个物体A、B,质量分别为$M_1$、$M_2$,沿直线向相同方向运动,速度分别为$V_1$、$V_2$,且$V_2 > V_1$。当B追上A时发生碰撞,碰撞后A、B的速度分别为$V_1'$和$V_2'$,碰撞时间很短,设为$\Delta t$。

  在这个过程中,我们研究以下几个问题:我们要研究A物体、B物体还是系统?研究碰前、碰撞过程还是碰后阶段?为研究相互作用的两个物体动量改变的关系,需研究A和B物体构成的系统,研究过程仅限于很短时间内的碰撞过程。

  确立系统和研究过程后,看示意图,物体A和B碰撞过程中,A受到水平向右的推力,同时B受到水平向左的反作用力。

  请同学们思考以下三个问题:物体A的动量变化是多少?物体B的动量变化是多少?物体A和B的动量变化有什么联系?

  根据动量定理,物体A动量变化量等于它所受力$F_1$的冲量,取水平向右为正方向,$F_1\Delta t = M_1V_1' - M_1V_1$。这里的$F_1$方向向右与正方向相同,是正数,$M_1V_1' - M_1V_1$得到的动量变化量也为正数,说明A物体动量增加。

  物体B动量变化量等于它所受力$F_2$的冲量,即$F_2\Delta t = M_2V_2' - M_2V_2$。注意这两个公式对比,这里的$F_2$是负数,表示B所受力方向向左,$M_2V_2' - M_2V_2$所得到的动量变化量也为负数,说明B物体动量减少。

  那么这两个动量变化量之间有什么联系呢?根据牛顿第三定律可得$F_1 = - F_2$,表示两个物体碰撞过程中每个时刻相互作用力$F_1$与$F_2$大小相等、方向相反。将上面两个公式代入,得到$M_1V_1' - M_1V_1 = - (M_2V_2' - M_2V_2)$,这个结果说明A物体的动量变化和B物体的动量变化大小相等、方向相反。对这个公式进行变形,得到$M_1V_1' + M_2V_2' = M_1V_1 + M_2V_2$,这说明两物体碰撞后的动量之和等于碰撞前的动量之和,且该关系式对过程中的任意两时刻的状态都适用。

  我们整理得到的这个等式的物理意义是什么呢?这个等式成立有条件吗?同学们思考这几个问题,这两个物体碰撞前后动量和不变,碰撞时受力情况是怎样的?把A、B看成系统,哪些力是外力,合外力是多少?

  请看受力分析图,两物体碰撞过程中各自受到对方的作用力,同时又受到重力和桌面的支持力。重力和支持力是系统的外力,也是一对平衡力,说明系统合外力为0。

  以上分析说明两个碰撞物体在外部作用力的合力为0的情况下动量守恒。下面总结动量守恒定律的内容:如果一个系统不受外力或者所受合外力为零,这个系统的总动量保持不变,这就是动量守恒定律。

  表达式可以写成$P = P'$或$M_1V_1 + M_2V_2 = M_1V_1' + M_2V_2'$,也就是系统作用前的总动量等于作用后的总动量。或者写成$\Delta P_1 = - \Delta P_2$或$M_1\Delta V_1 = - M_2\Delta V_2$,表示系统内一个物体的动量变化与另一物体的动量变化等大反向。动量守恒定律还有第三种写法,即$\Delta P = 0$,表示系统总动量在任意时间内变化量为0。

  下面请看例题。把两个很强的磁铁分别放在两个小车上,磁铁同性磁极相对,小车放在光滑水平桌面上,推动小车使它们互相接近,两辆小车没碰上就分开了,两辆小车相互作用前后,它们的总动量守恒吗?为什么?

  先做受力分析,两小车在运动过程中相互排斥的磁力属于内力,整个系统的外力,即重力和支持力的合力为零,所以系统动量守恒。

  定律使用时,守恒条件比较复杂,具体表现为以下几种情况:

  理想条件:系统不受外力作用或所受合外力为0。

  近似条件:系统所受合外力虽不为零,但系统所受内力远大于外力,如汽车碰撞、子弹打木块或者炮弹爆炸瞬间,在很短时间内,外力虽不为零,但外力造成的冲量极小,相对于内力冲量可忽略,这种条件下,可认为系统总动量近似守恒。

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《物理 选择性必修1 第1章 第三节 动量守恒定律的应用 第1课时 逐字稿-4,508字 第5版》.docx
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