应用动量守恒定律解题需注意的几种情况

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  动量守恒定律是指相互作用的物体所组成的系统,在不受外力或所受外力的合力为零时相互作用前后系统的总动量保持不变,常用表达式为:m1v1+m2v2=m1v1′+m2v2′。它是自然界普遍适用的基本规律之一,解题时只需要考虑系统作用前后,不考虑中间作用过程,解题简便,但要应用好动量守恒定律解决有关问题,需注意以下几种情况:
  
  一、注意系统的整体性
  
  在应用动量宋恒定律解题时,所分析的对象是系统的整体,系统始、末状态质量应相同,就系统的一部分而言,动量守恒定律不能适用。
  例1:装满砂子的小车,总质量为M,以速度v沿水平地面向前做匀速直线运动,不计磨擦,若在行途中有质量为m的砂子漏掉后,小车将以多大的速度做匀速直线运动?
  解析:系统(包括小车、砂子和漏出的砂)动量守恒,故设小车在漏砂后的速度为V,则:mv+(M-m)V=Mv,得V=v。本题若不考虑系统的整体性,分析系统的末状态时忽略了漏掉的砂子,则会致错。
  
  二、注意动量的矢量性
  
  动量是矢量,动量守恒是指系统内各部分动量的矢量和保持不变,它的运算服从平行四边形定则,如果物体运动在一条直线上,即动量矢量在同一条直线上,在选定一个正方向以后,根据各部分动量的方向和正方向的关系,动量的运算就可以简化为代数运算,而不能简单地求和。
  例2:质量为M的小车,以速度为vO在光滑水平面上匀速前进,车上站有一质量为m的人,问当人以相对于车的速度u向后水平跳出后,车速度为多少?
  解析:若以地面为参考系,选定车的运动方向为正方向,并设人跳出后车的速度为v,则人相对于地的动量应为-m(u-v),故根据动量守恒定律mv-m(u-v)=(M+m)v0,解得v=v0+mu/(M+m)。
  本题容易忽略动量的矢量性,简单地把动量相加是致错的主要原因。
  
  三、注意动量的瞬间变化
  
  一般说来,对于动量守恒定律适用的系统,其内部各部分在不同时刻具有不同的动量,而系统的总动量是系统各部分在同一时刻动量的矢量和,因此在使用动量守恒定律解题时,要把握准初、末两个状态系统各部分的速度,确定其动量的大小和方向,不能把不同时刻的动量相互混淆,更不能交叉使用。
  例3:炮车质量为M,炮弹质量为m,最初炮身静止在水平地面上,当炮弹以倾角θ相对于炮车以速度v发射后,求炮车的反冲速度。
  解析:当炮车和炮弹为系统,在发射炮弹的过程中,系统的总动量不守恒,但由于内力远大于炮车跟地面的磨擦力,所以系统沿水平方向分动量守恒,设炮车的反冲速度为u,所以炮弹对地的速度应为vcosθ-u,所以根据动量守恒定律m(vcosθ-u)=Mu,解得u=mvcosθ/(M+m)。
  本题易忽略瞬间变化过程,当炮弹射出后,炮身已具有反冲速度,如果仍认为此时炮身静止,则会做错。
  
  四、注意参考系的同一性
  
  应用动量守恒定律时,系统中的第一物体的动量,或者说每一物体的速度,都应是相对于同一惯性参考系而言的,否则系统的动量就不可能守恒。
  例4:质量M的装甲车以速度v0沿水平方向前进,当装甲车相对于车身向前、后两个方向同时发射两颗质量为m,速率为u的炮弹后,它的速率为多大?
  解析:装甲车原以速率v0匀速前进时,它在水平方向上受到的合外力为零,当装甲车向前后两个方向发射炮弹时,水平方向受到的合外力仍为零,符合应用动量守恒定律的条件,设装甲车前进的方向为正方向,炮弹发射后,装甲车的速率为v,都以地面为参考系,则根据动量守恒定律有Mv0=m(u+v)-m(u-v)+(M-2m)v,解得 v=v0。
  本题易忽略参考系的同一性,如果整个系统中,各部分不取同一参考系,那么整个系统应用动量守恒是错误的。
  
  五、注意过程的阶段性
  
  应用动量守恒定律时,有时系统由相互作用的初状态到末状态经历的过程是比较复杂的,为几个连续的过程,准确地分析全过程是解题成败的关键。
  例5:一小车静止在光滑的水平面上,车内的人沿水平方向向车尾的厚木板射击,子弹停在木板内,问子弹静止时车是否运动,车是否发生了位移?
  解析:从射击到子弹静止在木板内的过程,可以分为三个阶段:a、子弹发射过程,因系统动量守恒,故小车将沿着和子弹相反方向运动;b、子弹飞行过程,小车由于惯性匀速运动;c、子弹击中木板并停止的过程,系统总动量守恒,所以子弹从运动到静止,小车也由运动到静止,虽然小车最终速度为零,但小车发生了一段位移。
  本题容易忽略过程分析,误认为车和车内所有物体组成系统,动量守恒,因为系统的初动量为零,所以子弹静止后车的速度也为零,车不发生位移,这是错误的。
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