一、估算類
例1:據(jù)報(bào)道,1980年一架英國(guó)戰(zhàn)斗機(jī)在威爾士上空與一只禿鷹相撞,飛機(jī)墜毀。小小的飛鳥撞壞龐大、堅(jiān)實(shí)的飛機(jī),真難以。試通過估算,說明鳥類對(duì)飛機(jī)飛行的威脅,設(shè)飛鳥的質(zhì)量m=1kg,飛機(jī)的飛行速度為V=800m/s,若兩者相撞,試估算鳥對(duì)飛機(jī)的撞擊力。
分析與解:首先合理建立模型,鳥與飛機(jī)相撞時(shí),鳥的動(dòng)量發(fā)生變化,由動(dòng)量定理可知,鳥與飛機(jī)間必有沖力作用,高中生物。因鳥飛行的速度遠(yuǎn)小于飛機(jī)的速度,可認(rèn)為鳥的初速為零,因鳥的質(zhì)量相對(duì)飛機(jī)的質(zhì)量要小得多,所以兩者相撞后飛機(jī)的速度基本不變,鳥與飛機(jī)一起以飛機(jī)的初速運(yùn)動(dòng)。而鳥與飛機(jī)接觸的時(shí)間可理解為:鳥與飛機(jī)相撞時(shí)其長(zhǎng)度改變所需的時(shí)間,對(duì)于鳥的長(zhǎng)度可近似取為L(zhǎng)=0.2m,t=L/V。
設(shè)鳥對(duì)飛機(jī)的撞擊力為F,以鳥為研究對(duì)象,由動(dòng)量定理有:Ft=mV,
所以: 。
由上可見,鳥對(duì)飛機(jī)飛行具有很大的威脅,故在大型飛機(jī)場(chǎng)通常要設(shè)有驅(qū)趕飛鳥的設(shè)置。
二、變質(zhì)量類
例2:一場(chǎng)雨的降雨量為2小時(shí)內(nèi)7.2cm積水高。設(shè)雨滴落地時(shí)的速度相當(dāng)于它從61.25m高處自由下落時(shí)獲得的速度,取g=10m/s2,求雨落地時(shí)對(duì)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(shí)對(duì)地的平均沖力。故可以把所降總雨量分成若干個(gè)小部分,設(shè)每一小部分雨滴的質(zhì)量為△m,每部分對(duì)應(yīng)的時(shí)間為△t,對(duì)各小段應(yīng)用動(dòng)量定理求得雨滴在該段所受的合外力。當(dāng)雨滴的落地速度相當(dāng)于由61.25m高處自由下落時(shí)的獲得的速度時(shí)( ),因雨滴的線度很小,故雨滴與地面相撞的時(shí)間極短,此時(shí)雨滴的重力相對(duì)于沖力而言,可以忽略不計(jì)。雨滴對(duì)地面的沖力即可認(rèn)為為雨滴所受的合外力。
設(shè)雨滴對(duì)每地面的平均沖力為F,由動(dòng)量定理:△mV=F△t,對(duì)所有部分求和得:
,即:MV=Ft,M為地面所降雨的總質(zhì)量:M=ρSh,
所以雨落地時(shí)對(duì)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(zhì)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(yùn)動(dòng)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?yàn)殍F盒受水對(duì)鐵盒的沖力作用?扇r(shí)間t內(nèi)到達(dá)鐵盒的水為研究對(duì)象,設(shè)其質(zhì)量為m,由動(dòng)量定理求得水柱對(duì)鐵盒的沖力。再由水在向上運(yùn)動(dòng)時(shí)是以重力加速度g作勻減速運(yùn)動(dòng),求出鐵盒距水槍的高度。
解:設(shè)在時(shí)間t內(nèi)到達(dá)鐵盒的水的質(zhì)量為m,速度為V,以這部分水為研究對(duì)象,設(shè)水柱對(duì)鐵盒的沖力為F,因水柱與鐵盒的作用時(shí)間極短,所以此過程中可忽略水柱的重力。
由動(dòng)量定理有:Ft=m×2V,
在時(shí)間t內(nèi)從水槍中噴出的水的質(zhì)量為:m′= ρSV0t,因水槍連續(xù)噴水,所以時(shí)間t內(nèi)到達(dá)鐵盒水的質(zhì)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(yùn)動(dòng),故:
當(dāng)鐵盒倒頂在空中時(shí),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(dòng)機(jī)產(chǎn)生的推力F等于火箭在單位時(shí)間內(nèi)噴出的推進(jìn)劑質(zhì)量M與推進(jìn)劑速度V的乘積,即F=MV。質(zhì)子火箭發(fā)動(dòng)機(jī)噴出的推進(jìn)劑是質(zhì)子,這種發(fā)動(dòng)機(jī)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(shè)一臺(tái)質(zhì)子發(fā)動(dòng)機(jī)噴出的質(zhì)子流的電流I=1.0A,用于加速質(zhì)子的電壓U=5.0×104V,質(zhì)子質(zhì)量m=1.6×10-27kg,求該發(fā)動(dòng)機(jī)的推力(取2位有效數(shù)字)。
分析與解:因題中已給出發(fā)動(dòng)機(jī)的推力:F=MV。故只需求出質(zhì)子流的速度及質(zhì)子流的總質(zhì)量即可求出相應(yīng)的推力。質(zhì)子是通過電場(chǎng)的加速而獲得一定的速度,其速度的大小可由動(dòng)能定理求得。再由電流的定義可求出質(zhì)子的電量,并得出質(zhì)子的個(gè)數(shù)及總質(zhì)量M。
設(shè)質(zhì)子流的速度為V,因質(zhì)子是通過加速電場(chǎng)加速,
由 ,有:。
設(shè)單位時(shí)間內(nèi)噴出質(zhì)子的總質(zhì)量為M,則M=nm,
由電流的定義: ,Q=ne,
又因?yàn)椋篎=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(dòng)量p之間的關(guān)系式為E=pc,其中c表示光速,由于光子有動(dòng)量,照到物體表面的光子被物體吸收或反射時(shí)都會(huì)對(duì)物體產(chǎn)生壓強(qiáng),這就是"光壓",用I表示。
(1)一臺(tái)二氧化碳?xì)怏w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(dāng)它垂直照射到一物體表面并被物體全部反射時(shí),激光對(duì)物體表面的壓力F=2pN,其中p表示光子的動(dòng)量,N表示單位時(shí)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(shè)想在宇宙探測(cè)中用光為動(dòng)力推動(dòng)探測(cè)器加速,探測(cè)器上安裝有面積極大、反射率極高的薄膜,并讓它正對(duì)太陽,已知太陽光照射薄膜時(shí)每平方米面積上的輻射功率為1350W,探測(cè)器和薄膜的總質(zhì)量為m=100kg,薄膜面積為4×104m2,求此時(shí)探測(cè)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(guān)系,即可求得光壓I。
解:(1)在單位時(shí)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(duì)物體表面的壓力F=2pN,
故激光對(duì)物體產(chǎn)生的光壓: 。
。2)由上一問可知:
所以探測(cè)器受到的光的總壓力為:F=IS膜,對(duì)探測(cè)器利用牛頓第二定律:F=ma,
故此時(shí)探測(cè)器的加速度為: 。
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