物理三大守恒定律公开课一等奖优质课大赛微课获奖课件.pptx

动量守恒定律和能量守恒定律动量守恒定律和能量守恒定律清晨清晨,鸟语花香，迈步林荫道，一树叶落下鸟语花香，迈步林荫道，一树叶落下,你是什么态度呢你是什么态度呢?毫不在意毫不在意,漫不经心漫不经心.好不悠闲！好不悠闲！假如是一篮球飞来假如是一篮球飞来,又是什么态度呢又是什么态度呢?急忙躲闪急忙躲闪,生怕打着自已脑袋生怕打着自已脑袋!第1页第1页为何同是一个物体掉下来，态度却如此不同呢？本来一者是跚跚而来，既轻且慢。而另者是快本来一者是跚跚而来，既轻且慢。而另者是快速而来，既重又快。或者说人们对于物体运动速而来，既重又快。或者说人们对于物体运动量都有极其明白计算。量都有极其明白计算。物体运动量是由物体质物体运动量是由物体质量和速度决定量和速度决定。用。用P=MV来描述是科学。来描述是科学。第2页第2页3-1冲量冲量 质点和质点系动量定理质点和质点系动量定理一、冲量一、冲量 质点动量定理质点动量定理1、冲量、冲量（力作用对时间积累，矢量）（力作用对时间积累，矢量）大小：大小：方向：速度改变方向方向：速度改变方向单位：单位：Ns 量纲：量纲：MLT1阐明阐明冲量是表征力连续作用一段时间累积效应；冲量是表征力连续作用一段时间累积效应；矢量：矢量：大小和方向；大小和方向；过程量，过程量，改变物体机械运动状态原因。改变物体机械运动状态原因。t1F0tt2dtF第3页第3页第4页第4页第5页第5页冲力示意图第6页第6页第7页第7页 冲力特性冲力特性第8页第8页二、质点系动量定理二、质点系动量定理1、两个质点情况、两个质点情况作用在两质点构成系统合外力冲量等于系统内两质点动量作用在两质点构成系统合外力冲量等于系统内两质点动量之和增量，即系统动量增量。之和增量，即系统动量增量。第9页第9页2、多个质点情况、多个质点情况作用在系统合外力冲量等于系统作用在系统合外力冲量等于系统动量增量动量增量质点系动量定理质点系动量定理第10页第10页3-2 动量守恒定律动量守恒定律一、内容一、内容当系统所受合外力为零时，即当系统所受合外力为零时，即F外外=0时，系统动量增量为零，时，系统动量增量为零，即系统总动量保持不变即系统总动量保持不变第11页第11页 动量守恒动量守恒第12页第12页二、阐明二、阐明守恒意义：守恒意义：动量守恒是指系统总动量矢量和不变，而不是指动量守恒是指系统总动量矢量和不变，而不是指某一个质点动量不变。某一个质点动量不变。守恒条件：守恒条件：系统所受合外力为零。系统所受合外力为零。内力作用：内力作用：不改变系统总动量，但能够引起系统内动量改变不改变系统总动量，但能够引起系统内动量改变动量是描述状态动量是描述状态物理量物理量，而冲量是，而冲量是过程量过程量动量守恒定律动量守恒定律是物理学中最普遍、最基本定律之一。是物理学中最普遍、最基本定律之一。解题环节：解题环节：1选好系统，分析要研究物理过程；选好系统，分析要研究物理过程；2进行受力分析，判断守恒条件；进行受力分析，判断守恒条件；3拟定系统初动量与末动量；拟定系统初动量与末动量；4建立坐标系，列方程求解；建立坐标系，列方程求解；5必要时进行讨论。必要时进行讨论。第13页第13页Explosion.No external forces,so P is conserved.Initially:P=0Finally:P=m1v1+m2v2 =0 m1v1=-m2v2 M m1m2v v1v v2 RocketBottle第14页第14页A bomb explodes into 3 identical pieces.Which of the following configurations of velocities is possible?(a)(a)1 (b)(b)2 (c)(c)both mmv vV V v v mmmv vv v v v m(1)(2)第15页第15页例题：水平光滑铁轨上有一车，长度为例题：水平光滑铁轨上有一车，长度为l，质量为，质量为m2，车一端有一人（包括所骑，车一端有一人（包括所骑自行车），质量为自行车），质量为m1，人和车本来都静，人和车本来都静止不动。当人从车一端走到另一端时，止不动。当人从车一端走到另一端时，人、车各移动了多少距离？人、车各移动了多少距离？解：以人、车为系统，在水平方向上不受外力作用，动量守恒。解：以人、车为系统，在水平方向上不受外力作用，动量守恒。建立如图所表示坐标系，有建立如图所表示坐标系，有m1v1+m2v2=0 或或 v2=-m1v1/m2人相对于车速度人相对于车速度 u=v1v2=(m1+m2)v1/m2设人在时间设人在时间t 内从车一端走到另一端，则有内从车一端走到另一端，则有 在这段时间内人相对于地面位移为在这段时间内人相对于地面位移为 小车相对于地面位移为小车相对于地面位移为 第16页第16页33 质心质心 质心运动定律质心运动定律一、质心一、质心1、引入、引入水平上抛三角板水平上抛三角板运动员跳水运动员跳水投掷手榴弹投掷手榴弹2、质心、质心代表质点系质量分布平均代表质点系质量分布平均位置，质心能够代表质点位置，质心能够代表质点系平动系平动第17页第17页质心位置矢量各分量表示式质心位置矢量各分量表示式质量连续分布物体质量连续分布物体第18页第18页说明：1)对于密度均匀，形状对称物体，其质心在物体几何中心处；2)质心不一定在物体上，比如圆环质心在圆环轴心上；3)质心和重心是两个不同概念例题：试计算如图所表示面密度为恒量直角三角形质心位置。例题：试计算如图所表示面密度为恒量直角三角形质心位置。解：取如图所表示坐标系。由于质量解：取如图所表示坐标系。由于质量面密度面密度为恒量，取微元为恒量，取微元ds=dxdy质量质量为为dm=ds=dxdy因此质心因此质心x 坐标为坐标为第19页第19页积分可得积分可得同理同理因而质心坐标为因而质心坐标为 第20页第20页二、质心运动定律二、质心运动定律1、系统动量、系统动量 结论：结论：系统内各质点动量矢量和等于系统质心速度与系系统内各质点动量矢量和等于系统质心速度与系统质量乘积统质量乘积第21页第21页2、质心运动定理、质心运动定理 质心运动定律：质心运动定律：作用在系统上合外力等于系统总质量作用在系统上合外力等于系统总质量与系统质心加速度乘积。与系统质心加速度乘积。它与牛顿第二定律在形式上完全相同，相对于系统质它与牛顿第二定律在形式上完全相同，相对于系统质量所有集中于系统质心，在合外力作用下，质心以加量所有集中于系统质心，在合外力作用下，质心以加速度速度 ac 运动。运动。第22页第22页3-4 功功 动能和动能定理动能和动能定理FxAx 第23页第23页F(x)abds 第24页第24页分量式（自然坐标系）：直角坐标分量式第25页第25页3.合力功第26页第26页第27页第27页 功是过程量，动能是状态量；功是过程量，动能是状态量；注意注意 合合外力对外力对质点质点所作功，等于质点动能所作功，等于质点动能增量增量 质点动能定理质点动能定理 功和动能依赖于惯性系选取，功和动能依赖于惯性系选取，但对不同惯性系动能定理形式相同动能定理动能定理第28页第28页普通情况碰撞：普通情况碰撞：1完全弹性碰撞完全弹性碰撞 系统内动量和机械能均系统内动量和机械能均守恒守恒2非弹性碰撞非弹性碰撞 系统内动量系统内动量守恒守恒，机械能机械能不守恒不守恒3完全非弹性碰撞完全非弹性碰撞 系统内动量系统内动量守恒守恒，机械能机械能不守恒不守恒第29页第29页 例例 2设有两个质量分设有两个质量分别为别为 和和 ，速度分别为，速度分别为 和和 弹性小球作对心碰弹性小球作对心碰撞，两球速度方向相同若撞，两球速度方向相同若碰撞是完全弹性，求碰撞后碰撞是完全弹性，求碰撞后速度速度 和和 碰前碰前碰后碰后第30页第30页 解解 取速度方向为正向取速度方向为正向,由机械能守恒定律得由机械能守恒定律得由动量守恒定律得由动量守恒定律得碰前碰前碰后碰后(2)(1)第31页第31页由由 、可解得：可解得：(3)(2)(1)由由 、可解得：可解得：(3)(1)碰前碰前碰后碰后第32页第32页（1）若若则则则则讨论讨论（3）若若,且且则则（2）若若,且且碰前碰前碰后碰后第33页第33页三三 保守力与非保守力保守力与非保守力 势能势能一、万有引力、重力、弹性力作功特点一、万有引力、重力、弹性力作功特点1、万有引力作功特点、万有引力作功特点引力作功只与质点起始和终了位置相关，引力作功只与质点起始和终了位置相关，而与质点所通过路径无关而与质点所通过路径无关drr1r2rm11m22dl第34页第34页lWork dWg done on an object by gravity in a displacement drdr isgiven by:dWg=F Fg.drdr =(-GMm/R2 r r).(dR r r +Rd)dWg=(-GMm/R2)dR (since r r.=0,r r.r r=1)r r drdrRddR RF FgmMd 第35页第35页lIntegrate dWg to find the total work done by gravity in a“big”displacement:Wg=dWg=(-GMm/R2)dR=GMm(1/R2-1/R1)R1R2R1R2F Fg(R1)R1R2F Fg(R2)mM第36页第36页 第二宇宙速度第二宇宙速度第37页第37页2、重力作功特点、重力作功特点重力作功只与质点起始和终了位置相重力作功只与质点起始和终了位置相关，而与质点所通过路径无关。关，而与质点所通过路径无关。ohh1h2mgdhdrhWg=-mghmhahb第38页第38页3、弹性力作功、弹性力作功弹性力作功只与质点起始弹性力作功只与质点起始和终了位置相关，而与质和终了位置相关，而与质点所通过路径无关。点所通过路径无关。oxx1dxFx2x第39页第39页Ws xF(x)x2 x1-kxrelaxed position0 xUmx0 xUmx0 xUmx0 xUmxmxx0 xUF FF Fmxx0 xUF FF Fmxx0 xUF FF F0 xUmx0 xUmxF FF F0 xUmxF FF F0 xUmxF FF F0 xUmxF FF F0 xUmx第40页第40页二、保守力与非保守力二、保守力与非保守力 保守力作功数学表示式保守力作功数学表示式1、保守力与非保守力、保守力与非保守力保守力：保守力：作功只与初始和终了位置相关而与路径无关这一作功只与初始和终了位置相关而与路径无关这一特点力特点力万有引力、重力、弹性力万有引力、重力、弹性力非保守力：非保守力：作功与路径相关力作功与路径相关力摩擦力摩擦力2、保守力作功数学表示式、保守力作功数学表示式物体沿任意闭合路径运营一物体沿任意闭合路径运营一周时，保守力对它所作功为周时，保守力对它所作功为零。零。保守力作功与路径无关保守力作功与路径无关和和保保守力沿任意路径一周所功为守力沿任意路径一周所功为零零保守力判据保守力判据第41页第41页三、势能三、势能1、势能概念、势能概念在含有保守力互相作用系统内，只由质点间相对位置决定能在含有保守力互相作用系统内，只由质点间相对位置决定能量称为势能量称为势能重力势能重力势能引力势能引力势能弹性势能弹性势能保守力作功等保守力作功等于势能增量负于势能增量负值值第42页第42页2、关于势能阐明、关于势能阐明只有对保守力，才干引入势能概念只有对保守力，才干引入势能概念势能是物体势能是物体状态状态函数函数势能含有势能含有相对性相对性，势能值与势能零点相关，势能值与势能零点相关重力势能重力势能：零点能够任意选择，普通选地面；：零点能够任意选择，普通选地面；引力势能引力势能：零点选在无穷远点；：零点选在无穷远点；弹性势能弹性势能：零点选在弹簧平衡位置。：零点选在弹簧平衡位置。势能属于势能属于系统系统，势能是由于系统内各物体间含有保守力作用，势能是由于系统内各物体间含有保守力作用而产生。而产生。重力势能：物体和地球构成系统重力势能：物体和地球构成系统引力势能：两个物体构成系统引力势能：两个物体构成系统引力势能：物体和弹簧引力势能：物体和弹簧第43页第43页四、势能曲线四、势能曲线重力势能曲线重力势能曲线弹性势能曲线弹性势能曲线万有引力势能曲线万有引力势能曲线势能曲线不但给出势能在空间分布，并且还能够表示系统稳势能曲线不但给出势能在空间分布，并且还能够表示系统稳定状态。定状态。曲线斜率为保守力大小。曲线斜率为保守力大小。从势能曲线可分析系统平衡条件及能量转化。从势能曲线可分析系统平衡条件及能量转化。第44页第44页 德国物理学家和生理德国物理学家和生理学家于学家于1874年发表了年发表了论力论力(现称能量现称能量)守恒守恒演讲，首先系统地以数学演讲，首先系统地以数学方式阐述了自然界各种运方式阐述了自然界各种运动形式之间都遵守能量守动形式之间都遵守能量守恒这条规律是能量守恒恒这条规律是能量守恒定律创建者之一定律创建者之一亥姆霍兹亥姆霍兹 (18211894)第45页第45页 能量守恒定律：能量守恒定律：对一个与自然界对一个与自然界无无任何任何联系系统来说联系系统来说,系统内各种形式能量系统内各种形式能量能够能够互互相转换，但是无论如何转换，能量既相转换，但是无论如何转换，能量既不能产不能产生生，也不能毁灭，也不能毁灭（1）生产实践和科学试验经验总结；生产实践和科学试验经验总结；（2）能量是系统能量是系统状态状态函数；函数；（3）系统能量不变，但各种能量形式能系统能量不变，但各种能量形式能够互相够互相转化转化；（4）能量改变惯用功来量度能量改变惯用功来量度第46页第46页4-6 角动量角动量 角动量守恒定律角动量守恒定律一、质点角动量定理和角动量守恒定律一、质点角动量定理和角动量守恒定律1、质点角动量、质点角动量大小大小：Lrmvsin 方向：右手螺旋定则鉴定方向：右手螺旋定则鉴定单位：单位：kgm2/s 量纲：量纲：ML2T-1 质点质量质点质量m，速度，速度v，位置矢量为，位置矢量为 r，定义定义质点对坐标原点质点对坐标原点O角动量角动量L为该质为该质点位置矢量与动量矢量积点位置矢量与动量矢量积角动量方向角动量方向第47页第47页2、质点角动量定理、质点角动量定理设质点质量为设质点质量为m，在合力，在合力F 作用下，运动方程作用下，运动方程考虑到考虑到得得因此因此Mdt 叫作冲量矩叫作冲量矩质点角动量定理：质点角动量定理：对同一参考点，对同一参考点，质点所受冲量矩等于质点角动量增质点所受冲量矩等于质点角动量增量。量。成立条件：成立条件：惯性系惯性系第48页第48页3、质点角动量守恒定律、质点角动量守恒定律若质点所受合外力矩为零，即若质点所受合外力矩为零，即 M=0，角动量守恒定律：角动量守恒定律：当质点所受对参考点合外力矩为当质点所受对参考点合外力矩为零时，质点对该参考点角动量为一恒矢量。零时，质点对该参考点角动量为一恒矢量。两种情况：两种情况：a、质点所受外力为零、质点所受外力为零b、外力不为零，合力矩为零、外力不为零，合力矩为零特例：特例：在向心力作用下，质点对力心角动量都是守恒在向心力作用下，质点对力心角动量都是守恒匀速直线运动。匀速直线运动。rLv第49页第49页作业作业P93：17，1922P94：27第50页第50页