关于动量守恒定律应用的若干问题讨论

来源 :高等教育 | 被引量 : 0次 | 上传用户:JINZI1975
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  摘要:在明确动量守恒定律内涵的前提条件下,对相关质点系动量守恒定律使用中的一些问题做叙述,并将其中的问题指出,进行解决。
  关键词:动量守恒定律;应用;客观性
  因为有些学生对于动量守恒定律概念的模糊不清,和实际问题中存在的复杂性原因,导致学生在实际进行运算时常会出现各种各样的错误。虽然已有不少资料对其进行了一定的研究,但是关于研究内容的准确性仍有待考证。下文中将就其基本内涵来简要说明动量守恒定律使用中的一些问题所在。
  1、问题讨论
  1.1问题研讨
  原题是:轻绳穿过光滑定滑轮,绳子两边各栓有一个物体,质量分别是Ⅲl与Ⅲ2(Ⅲ2>Ⅲ1),开始的时候m2放在地上,m1手托起,放手之后m1自由下落,在非常短的时间内绳子拉紧,求绳子拉紧两物体的共同速度。分析是:整个物体状态分为两个阶段,第一个阶段放手之后m1下降h,m和地球构成的系统机械能守恒,第二阶段绳子被拉紧,在这个阶段中绳子内力较大,但是m1、Ⅲ2同绳子构成的系统的动量是否守恒,一部分人认为,系统的所受外力(Ⅲ1 g+m 2 g)远远低于绳中的内力,所以系统动量守恒,设定绳子拉紧前瞬间速度是v 1,拉紧后m1、m2获得共同速度是v2,则是mlv 1=(Ⅲ1十m 2)v 2又v 1=√—2g h,故Ⅲ1+m 2√一2g h。这种解法从理论上来说是错误的,这是因为物体受力分析的不全面,系统外力远低于系统内力的判断是不准确的,在使用中错误的使用动量守恒定律。经过分析之后得知,在这个阶段,系统除了受到重力之外,还有滑轮对于绳子的支撑力,支撑力因为绳子内力的增长而增长。所以系统受外力远远小于系统内力的条件不成立,系统动量不守恒,但是,绳子拉紧前系统的总动量是m 1v 1,方向向下,绳子拉紧后总动量是(m 2-m1)v 2,方向朝上,两者大小不同,方向也不一致。
  1.2解答
  这道题正确的解法是:因为物体m1、m2同绳子构成的系统所受合外力不是零,并且不满足内力远大于合外力的情况,所以系统动量不守恒,所以对m1、m2各使用动量定理进行求解。
  1.3分析
  在文献中的分析中,指明在绳子被拉紧的第二阶段,系统除了受到重力之外,还有滑轮对于绳子的支撑力,支撑力因为绳子内力的增加而增加,很明显系统所受外力远小于系统内力的条件不成立。系统动量不守恒,但是绳子拉紧之前的系统总动量是m 1v1,方向向下;绳子拉紧之后总动量是(m 2-m1)v 2,方向向上,两者大小不同,方向也不一致,是正确的,对于m1、m2分别使用动量定理求解该题是正确的,但是若是认为该题正确解法是因为物体ml、m2同绳子构成的系统所受和外力不等于零,并且不满足内力远大于合外力思维条件,所以系统动量不守恒,所以对ml、m2分别运用动量定理求解值得考量,这段话的意义就是不可以使用动量守恒定律进行求解。文献2和文献1保持相同观念,同认为上述求解方式错误,就是不能够使用动量守恒定律进行求解。
  但是,就算绳子在被拉紧的第二阶段,物体的ml、m2同绳子构成的系统所受合外力不等于零,并且不满足内力远大于合外力的条件,系统动量不守恒。但是在自然坐标系中,m1、m2同绳子构成的系统在绳子被拉紧的第二阶段,所受外力在自然坐标的切向方向分力只有重力的分力,而其远小于绳中内力,所以可以认为在这个阶段系统的动量随着自然坐标的切向方向为守恒,设绳子拉紧前瞬间m 1速度大小是v 1,拉紧后m1、m2获得共同速度大小是v2就是根据某一个固定方向。这也就是说,文献中认为错误的解法中,倘若认为就算系统的动量不守恒,但是在这个阶段系统的动量随着自然坐标的切向方向是守恒的,这种解法就是正确的。文献三专门就上述问题进行讨论,它的基本观念是正确的,但有些说法仍有待考证。文献三认为动量守恒定律表达式是一个矢量式,它可以被用在各正交方向的某些分量式表示,有时对于整个系统来说总动量不守恒,但是系统沿着某个方向的合外力的分量等于零的时候,这个方向的分动量之和仍守恒,是正确的,但是进一步说动量守恒分量式应沿着一直线应用是错误的,综上所述,某个坐标方向不一定是直线,自然坐标切向可以是直线,也可以是曲线,如本题中繩所在的曲线,正因为如此,文献三更加深刻地分析了动量守恒定律,为何沿着这条曲线也可以应用呢?……将简单的问题复杂化是非常不必要的。
  2、总结:
  动量守恒定律作为一种较为常见的客观性规律之一,是力学中的三大守恒定律中的一个。其对于物理学也有很大的意义,所以教师在教学中需要使得学生通过动量守恒定律的理解熟练掌握其进行实际运算。教师在运用这种规律进行解决的时候,不仅需要考虑到条件,和动量的矢量性及系统的整体性。
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