一、估算類
例1:據(jù)報道,1980年一架英國戰(zhàn)斗機在威爾士上空與一只禿鷹相撞,飛機墜毀。小小的飛鳥撞壞龐大、堅實的飛機,真難以。試通過估算,說明鳥類對飛機飛行的威脅,設飛鳥的質量m=1kg,飛機的飛行速度為V=800m/s,若兩者相撞,試估算鳥對飛機的撞擊力。
分析與解:首先合理建立模型,鳥與飛機相撞時,鳥的動量發(fā)生變化,由動量定理可知,鳥與飛機間必有沖力作用,高中生物。因鳥飛行的速度遠小于飛機的速度,可認為鳥的初速為零,因鳥的質量相對飛機的質量要小得多,所以兩者相撞后飛機的速度基本不變,鳥與飛機一起以飛機的初速運動。而鳥與飛機接觸的時間可理解為:鳥與飛機相撞時其長度改變所需的時間,對于鳥的長度可近似取為L=0.2m,t=L/V。
設鳥對飛機的撞擊力為F,以鳥為研究對象,由動量定理有:Ft=mV,
所以: 。
由上可見,鳥對飛機飛行具有很大的威脅,故在大型飛機場通常要設有驅趕飛鳥的設置。
二、變質量類
例2:一場雨的降雨量為2小時內(nèi)7.2cm積水高。設雨滴落地時的速度相當于它從61.25m高處自由下落時獲得的速度,取g=10m/s2,求雨落地時對每平方米地面產(chǎn)生的平均壓力為多大?
分析與解:因題中的已知條件為總降雨量的多少,而需要求解的是雨在落地時對地的平均沖力。故可以把所降總雨量分成若干個小部分,設每一小部分雨滴的質量為△m,每部分對應的時間為△t,對各小段應用動量定理求得雨滴在該段所受的合外力。當雨滴的落地速度相當于由61.25m高處自由下落時的獲得的速度時( ),因雨滴的線度很小,故雨滴與地面相撞的時間極短,此時雨滴的重力相對于沖力而言,可以忽略不計。雨滴對地面的沖力即可認為為雨滴所受的合外力。
設雨滴對每地面的平均沖力為F,由動量定理:△mV=F△t,對所有部分求和得:
,即:MV=Ft,M為地面所降雨的總質量:M=ρSh,
所以雨落地時對每平方米地面產(chǎn)生的平均壓力為:
例3:如圖所示,由高壓水槍豎直向上噴出的水柱,將一質量為M的小鐵盒開口向下倒頂在空中。已知水以恒定速度V0從橫截面積為S的水槍中持續(xù)不變噴出,向上運動并沖擊鐵盒后,以不變的速率豎直返回,求穩(wěn)定狀態(tài)下鐵盒距水槍口的高度h。
分析:鐵盒能處于平衡,是因為鐵盒受水對鐵盒的沖力作用。可取時間t內(nèi)到達鐵盒的水為研究對象,設其質量為m,由動量定理求得水柱對鐵盒的沖力。再由水在向上運動時是以重力加速度g作勻減速運動,求出鐵盒距水槍的高度。
解:設在時間t內(nèi)到達鐵盒的水的質量為m,速度為V,以這部分水為研究對象,設水柱對鐵盒的沖力為F,因水柱與鐵盒的作用時間極短,所以此過程中可忽略水柱的重力。
由動量定理有:Ft=m×2V,
在時間t內(nèi)從水槍中噴出的水的質量為:m′= ρSV0t,因水槍連續(xù)噴水,所以時間t內(nèi)到達鐵盒水的質量
為:m = m′ = ρSV0t,
由于水槍噴出的水柱在豎直方向以重力加速度作勻減速運動,故:
當鐵盒倒頂在空中時,由平衡條件有:F=Mg,
綜合以上各式得:
三、綜合型
例4:火箭發(fā)動機產(chǎn)生的推力F等于火箭在單位時間內(nèi)噴出的推進劑質量M與推進劑速度V的乘積,即F=MV。質子火箭發(fā)動機噴出的推進劑是質子,這種發(fā)動機用于在外層空間中產(chǎn)生的微小推力來糾正衛(wèi)星的軌道或姿態(tài)。設一臺質子發(fā)動機噴出的質子流的電流I=1.0A,用于加速質子的電壓U=5.0×104V,質子質量m=1.6×10-27kg,求該發(fā)動機的推力(取2位有效數(shù)字)。
分析與解:因題中已給出發(fā)動機的推力:F=MV。故只需求出質子流的速度及質子流的總質量即可求出相應的推力。質子是通過電場的加速而獲得一定的速度,其速度的大小可由動能定理求得。再由電流的定義可求出質子的電量,并得出質子的個數(shù)及總質量M。
設質子流的速度為V,因質子是通過加速電場加速,
由 ,有:。
設單位時間內(nèi)噴出質子的總質量為M,則M=nm,
由電流的定義: ,Q=ne,
又因為:F=MV,
綜合以上各式得:
例5:根據(jù)量子理論,光子的能量E與動量p之間的關系式為E=pc,其中c表示光速,由于光子有動量,照到物體表面的光子被物體吸收或反射時都會對物體產(chǎn)生壓強,這就是"光壓",用I表示。
。1)一臺二氧化碳氣體激光器發(fā)生的激光,功率為P0,射出的光束的橫截面積為S,當它垂直照射到一物體表面并被物體全部反射時,激光對物體表面的壓力F=2pN,其中p表示光子的動量,N表示單位時間內(nèi)激光器射出的光子數(shù),試用P0和S表示該束。
。2)有人設想在宇宙探測中用光為動力推動探測器加速,探測器上安裝有面積極大、反射率極高的薄膜,并讓它正對太陽,已知太陽光照射薄膜時每平方米面積上的輻射功率為1350W,探測器和薄膜的總質量為m=100kg,薄膜面積為4×104m2,求此時探測器的加速度大小。
分析:由光壓的定義可知: ,而F=2pN,故只需求出F與功率P0的關系,即可求得光壓I。
解:(1)在單位時間內(nèi),功率為P0的激光器的總能量為:P0=NE=Npc,所以:
由題意可知:激光對物體表面的壓力F=2pN,
故激光對物體產(chǎn)生的光壓: 。
(2)由上一問可知:
所以探測器受到的光的總壓力為:F=IS膜,對探測器利用牛頓第二定律:F=ma,
故此時探測器的加速度為: 。
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