И́мпульс (Количество движения) - векторная физическая величина, характеризующая меру механического движения тела. В классической механике импульс тела равен произведению массы m этой точки на её скорость v, направление импульса совпадает с направлением вектора скорости:
Зако́н сохране́ния и́мпульса (Зако́н сохране́ния количества движения) утверждает, что векторная сумма импульсов всех тел (или частиц) замкнутой системы есть величина постоянная.
В классической механике закон сохранения импульса обычно выводится как следствие законов Ньютона. Из законов Ньютона можно показать, что при движении в пустом пространстве импульс сохраняется во времени, а при наличии взаимодействия скорость его изменения определяется суммой приложенных сил.
Вывод из законов Ньютона
Рассмотрим выражение определения силы
Перепишем его для системы из N частиц:
где суммирование идет по всем силам, действующим на n-ю частицу со стороны m-ой. Согласно третьему закону Ньютона, силы вида и будут равны по абсолютному значению и противоположны по направлению, то есть 
Тогда после подстановки полученного результата в выражение (1) правая часть будет равна нулю, то есть:
Как известно, если производная от некоторого выражения равна нулю, то это выражение есть постоянная величина относительно переменной дифференцирования, а значит:
(постоянный вектор).
То есть суммарный импульс системы частиц есть величина постоянная. Нетрудно получить аналогичное выражение для одной частицы.
Следует учесть, что вышеприведенные рассуждения справедливы лишь для замкнутой системы.
Также стоит подчеркнуть, что изменение импульса зависит не только от действующей на тело силы, но и от продолжительности её действия.
Для вывода закона сохранения импульса рассмотрим некоторые понятия. Совокупность материальных точек (тел), рассматриваемых как единое целое, называется механической системой . Силы взаимодействия между материальными точками механической системы называются - внутренними . Силы, с которыми на материальные точки системы действуют внешние тела, называются внешними . Механическая система тел, на которую не действуют внешние силы, называется замкнутой (или изолированной ). Если мы имеем механическую систему, состоящую из многих тел, то, согласно третьему закону Ньютона, силы, действующие между этими телами, будут равны и противоположно направлены, т. е. геометрическая сумма внутренних сил равна нулю.
Рассмотрим механическую систему, состоящую из n тел, масса и скорость которых соответственно равны m 1 , m 2 , .... m n , и v 1 , v 2 ,..., v n . Пусть - равнодействующие внутренних сил, действующих на каждое из этих тел, a - равнодействующие внешних сил. Запишем второй закон Ньютона для каждого из n тел механической системы:
Складывая почленно эти уравнения, получаем
Но так как геометрическая сумма внутренних сил механической системы по третьему закону Ньютона равна нулю, то
(9.1)
где - импульс системы. Таким образом, производная по времени от импульса механической системы равна геометрической сумме внешних сил, действующих на систему.
В случае отсутствия внешних сил (рассматриваем замкнутую систему)
Последнее выражение и является законом сохранения импульса : импульс замкнутой системы сохраняется, т. е. не изменяется с течением времени.
Закон сохранения импульса справедлив не только в классической физике, хотя он и получен как следствие законов Ньютона. Эксперименты доказывают, что он выполняется и для замкнутых систем микрочастиц (они подчиняются законам квантовой механики). Этот закон носит универсальный характер, т. е. закон сохранения импульса - фундаментальный закон природы.
Закон сохранения импульса является следствием определенного свойства симметрии пространства - его однородности. Однородность пространства заключается в том, что при параллельном переносе в пространстве замкнутой системы тел как целого ее физические свойства и законы движения не изменяются, иными словами, не зависят от выбора положения начала координат инерциальной системы отсчета.
Отметим, что, согласно (9.1), импульс сохраняется и для незамкнутой системы, если геометрическая сумма всех внешних сил равна нулю.
В механике Галилея-Ньютона из-за независимости массы от скорости импульс системы может быть выражен через скорость ее центра масс. Центром масс (или центром инерции ) системы материальных точек называется воображаемая точка С ,положение которой характеризует распределение массы этой системы. Ее радиус-вектор равен
где m i и r i - соответственно масса и радиус-вектор i -й материальной точки; n - число материальных точек в системе; – масса системы. Скорость центра масс
Учитывая, что pi = m i v i , a есть импульс р системы, можно написать
т. е. импульс системы равен произведению массы системы на скорость ее центра масс.
Подставив выражение (9.2) в уравнение (9.1), получим
(9.3)
т. е. центр масс системы движется как материальная точка, в которой сосредоточена масса всей системы и на которую действует сила, равная геометрической сумме всех внешних сил, приложенных к системе. Выражение (9.3) представляет собойзакон движения центра масс.
При взаимодействии тел импульс одного тела может частично или полностью передаваться другому телу. Если на систему тел не действуют внешние силы со стороны других тел, то такая система называется замкнутой .
В замкнутой системе векторная сумма импульсов всех тел, входящих в систему, остается постоянной при любых взаимодействиях тел этой системы между собой.
Этот фундаментальный закон природы называется законом сохранения импульса . Он является следствием из второго и третьего законов Ньютона.
Рассмотрим какие-либо два взаимодействующих тела, входящих в состав замкнутой системы. Силы взаимодействия между этими телами обозначим через и По третьему закону Ньютона
Если эти тела взаимодействуют в течение времени t , то импульсы сил взаимодействия одинаковы по модулю и направлены в противоположные стороны:
Применим к этим телам второй закон Ньютона:
Где и - импульсы тел в начальный момент времени, и - импульсы тел в конце взаимодействия. Из этих соотношений следует, что в результате взаимодействия двух тел их суммарный импульс не изменился:
Закон сохранения импульса:
Рассматривая теперь всевозможные парные взаимодействия тел, входящих в замкнутую систему, можно сделать вывод, что внутренние силы замкнутой системы не могут изменить ее суммарный импульс, т. е. векторную сумму импульсов всех тел, входящих в эту систему.
Рис. 1.17.1 иллюстрирует закон сохранения импульса на примере нецентрального соударения двух шаров разных масс, один из которых до соударения находился в состоянии покоя.
Изображенные на рис. 1.17.1 вектора импульсов шаров до и после соударения можно спроектировать на координатные оси OX и OY . Закон сохранения импульса выполняется и для проекций векторов на каждую ось. В частности, из диаграммы импульсов (рис. 1.17.1) следует, что проекции векторов и импульсов обоих шаров после соударения на ось OY должны быть одинаковы по модулю и иметь разные знаки, чтобы их сумма равнялась нулю.
Закон сохранения импульса во многих случаях позволяет находить скорости взаимодействующих тел даже тогда, когда значения действующих сил неизвестны. Примером может служить реактивное движение .
При стрельбе из орудия возникает отдача - снаряд движется вперед, а орудие - откатывается назад. Снаряд и орудие - два взаимодействующих тела. Скорость, которую приобретает орудие при отдаче, зависит только от скорости снаряда и отношения масс (рис. 1.17.2). Если скорости орудия и снаряда обозначить через и а их массы через M и m , то на основании закона сохранения импульса можно записать в проекциях на ось OX
На принципе отдачи основано реактивное движение
. В ракете
при сгорании топлива газы, нагретые до высокой температуры, выбрасываются из сопла с большой скоростью относительно ракеты. Обозначим массу выброшенных газов через m
, а массу ракеты после истечения газов через M
. Тогда для замкнутой системы «ракета + газы» на основании закона сохранения импульса (по аналогии с задачей о выстреле из орудия) можно записать:
где V - скорость ракеты после истечения газов. В данном случае предполагается, что начальная скорость ракеты равнялась нулю.
Полученная формула для скорости ракеты справедлива лишь при условии, что вся масса сгоревшего топлива выбрасывается из ракеты одновременно . На самом деле истечение происходит постепенно в течение всего времени ускоренного движения ракеты. Каждая последующая порция газа выбрасывается из ракеты, которая уже приобрела некоторую скорость.
Для получения точной формулы процесс истечения газа из сопла ракеты нужно рассмотреть более детально. Пусть ракета в момент времени t
имеет массу M
и движется со скоростью (рис. 1.17.3 (1)). В течение малого промежутка времени Δt
из ракеты будет выброшена некоторая порция газа с относительной скоростью Ракета в момент t
+ Δt
будет иметь скорость а ее масса станет равной M
+ ΔM
, где ΔM
< 0 (рис. 1.17.3 (2)). Масса выброшенных газов будет, очевидно, равна -ΔM
> 0. Скорость газов в инерциальной системе OX
будет равна Применим закон сохранения импульса. В момент времени t
+ Δt
импульс ракеты равен , а импульс испущенных газов равен 
. В момент времени t
импульс всей системы был равен Предполагая систему «ракета + газы» замкнутой, можно записать:
Величиной можно пренебречь, так как |ΔM | << M . Разделив обе части последнего соотношения на Δt и перейдя к пределу при Δt →0, получаем:
|
|
|
Рисунок 1.17.3. Ракета, движущаяся в свободном пространстве (без гравитации). 1 - в момент времени t . Масса ракеты М, ее скорость 2 - Ракета в момент времени t + Δt . Масса ракеты M + ΔM , где ΔM < 0, ее скорость масса выброшенных газов -ΔM > 0, относительная скорость газов скорость газов в инерциальной системе |
Величина 
есть расход топлива в единицу времени. Величина называется реактивной силой тяги
Реактивная сила тяги действует на ракету со стороны истекающих газов, она направлена в сторону, противоположную относительной скорости. Соотношение
выражает второй закон Ньютона для тела переменной массы. Если газы выбрасываются из сопла ракеты строго назад (рис. 1.17.3), то в скалярной форме это соотношение принимает вид:
где u - модуль относительной скорости. С помощью математической операции интегрирования из этого соотношения можно получить формулу Циолковского для конечной скорости υ ракеты:
где - отношение начальной и конечной масс ракеты.
Из нее следует, что конечная скорость ракеты может превышать относительную скорость истечения газов. Следовательно, ракета может быть разогнана до больших скоростей, необходимых для космических полетов. Но это может быть достигнуто только путем расхода значительной массы топлива, составляющей большую долю первоначальной массы ракеты. Например, для достижения первой космической скорости υ = υ 1 = 7,9·10 3 м/с при u = 3·10 3 м/с (скорости истечения газов при сгорании топлива бывают порядка 2-4 км/с) стартовая масса одноступенчатой ракеты должна примерно в 14 раз превышать конечную массу. Для достижения конечной скорости υ = 4u отношение должно быть равно 50.
Реактивное движение основано на законе сохранения импульса и это бесспорно. Только многие задачи решаются разными способами. Я предлагаю следующий. Простейший реактивный двигатель: камера, в которой с помощью сжигания топлива поддерживается постоянное давление, в нижнем днище камеры отверстие, через которое с определенной скоростью происходит истечение газа. Согласно закону сохранения импульса камера приходит в движение (прописные истины). Другой способ. В нижнем днище камеры отверстие, т.е. площадь нижнего днища меньше площади верхнего днища на площадь отверстия. Произведение давления на площадь дает силу. Сила, действующая на верхнее днище больше чем на нижнее (из-за разности площадей), получаем неуравновешенную силу, которая приводит камеру в движение. F = p (S1-S2) = pSотверстия, где S1 площадь верхнего днища, S2 площадь нижнего днища, Sотверстия площадь отверстия. Если решать задачи традиционным методом и предложенным мной результат будет один и тот же. Предложенный мной способ более сложен, но он объясняет динамику реактивного движения. Решение задач с помощью закона сохранения импульса более простое, но оно не дает понять откуда берется сила, приводящая камеру в движение.
Цели урока:
- образовательные : формирование понятий “импульс тела”, “импульс силы”; умения применять их к анализу явления взаимодействия тел в простейших случаях; добиться усвоения учащимися формулировки и вывода закона сохранения импульса;
- развивающие : формировать умения анализировать, устанавливать связи между элементами содержания ранее изученного материала по основам механики, навыки поисковой познавательной деятельности, способность к самоанализу;
- воспитательные : развитие эстетического вкуса учащихся, вызвать желание постоянно пополнять свои знания; поддерживать интерес к предмету.
Оборудование: металлические шарики на нитях, тележки демонстрационные, грузы.
Средства обучения: карточки с тестами.
Ход урока
1. Организационный этап (1мин)
2. Повторение изученного материала. (10 мин)
Учитель: Тему урока вы узнаете, разгадав небольшой кроссворд, ключевым словом, которого и будет тема нашего урока. (Разгадываем слева на право, слова записываем по очереди вертикально).
- Явление сохранения скорости постоянной при отсутствии внешних воздействий или при их компенсации.
- Явление изменения объема или формы тела.
- Сила, возникающая при деформации, стремящая вернуть тело в первоначальное положение.
- Английский ученый, современник Ньютона, установил зависимость силы упругости от деформации.
- Единица массы.
- Английский ученый, открывший основные законы механики.
- Векторная физическая величина, численно равная изменению скорости за единицу времени.
- Сила, с которой Земля притягивает к себе все тела.
- Сила, возникающая благодаря существованию сил взаимодействия между молекулами и атомами соприкасающихся тел.
- Мера взаимодействия тел.
- Раздел механики, в которой изучают закономерности механического движения материальных тел под действием приложенных к ним сил.
3. Изучение нового материала. (18 мин)
Ребята тема нашего урока “Импульс тела. Закон сохранения импульса”
Цели урока : усвоить понятие импульса тела, понятие замкнутой системы, изучить закон сохранения импульса, научится решать задачи на закон сохранения.
Сегодня на уроке мы с вами не только будем ставить опыты, но и доказывать их математически.
Зная основные законы механики, в первую очередь три закона Ньютона, казалось бы, можно решить любую задачу о движении тел. Ребята, я вам продемонстрирую опыты, а вы подумайте, можно ли в этих случаях используя только законы Ньютона решить задачи?
Проблемный эксперимент.
Опыт №1.Скатывание легкоподвижной тележки с наклонной плоскости. Она сдвигает тело, находящееся на ее пути.
Можно ли найти силу взаимодействия тележки и тела? (нет, так как столкновение тележки и тела кратковременное и силу их взаимодействия определить трудно).
Опыт №2. Скатывание нагруженной тележки. Сдвигает тело дальше.
Можно ли в данном случае найти силу взаимодействия тележки и тела?
Сделайте вывод: с помощью каких физических величин можно охарактеризовать движение тела?
Вывод: Законы Ньютона позволяют решать задачи связанные с нахождением ускорения движущегося тела, если известны все действующие на тело силы, т.е. равнодействующая всех сил. Но часто бывает очень сложно определить равнодействующую силу, как это было в наших случаях.
Если на вас катится игрушечная тележка, вы можете остановить ее носком ноги, а если на вас катится грузовик?
Вывод : для характеристики движения надо знать массу тела и его скорость.
Поэтому для решения задач используют еще одну важнейшую физическую величину - импульс тела.
Понятие импульса было введено в физику французским ученым Рене Декартом (1596-1650 г.), который назвал эту величину “количеством движения”: “Я принимаю, что во вселенной… есть известное количество движения, которое никогда не увеличивается, не уменьшается, и, таким образом, если одно тело приводит в движение другое, то теряет столько своего движения, сколько его сообщает”.
Найдем взаимосвязь между действующей на тело силой, временем ее действия, и изменением скорости тела.
Пусть на тело массой m начинает действовать сила F. Тогда из второго закона Ньютона ускорение этого тела будет а .
Вспомните как читается 2 закон Ньютона?
Запишем закон в виде
С другой стороны:
Или 
Получили формулу второго закона Ньютона в
импульсной форме.
Обозначим произведение через р:
Произведение массы тела на его скорость называется импульсом тела.
Импульс р – векторная величина. Он всегда совпадает по направлению с вектором скорости тела. Любое тело, которое движется, обладает импульсом.
Определение: импульс тела – это векторная физическая величина, равная произведению массы тела на его скорость и имеющая направление скорости.
Как любая физическая величина, импульс измеряется в определенных единицах.
Кто желает вывести единицу измерения для импульса? (Ученик у доски делает записи).
(р) = (кг м/с)
Вернемся к нашему равенству . В физике произведение силы на время действия называют импульсом силы.
Импульс силы показывает, как изменяется импульс тела за данное время.
Декарт установил закон сохранения количества движения, однако он не ясно представлял себе, что количество движения является векторной величиной. Понятие количества движения уточнил голландский физик и математик Гюйгенс, который, исследуя удар шаров, доказал, что при их соударении сохраняется не арифметическая сумма, а векторная сумма количества движения.
Эксперимент (на нитях подвешиваются два шарика)
Правый отклоняют и отпускают. Вернувшись в прежнее положение и ударившись о неподвижный шарик, он останавливается. При этом левый шарик приходит в движение и отклоняется практически на тот же угол, что и отклоняли правый шар.
Импульс обладает интересным свойством, которое есть лишь у немногих физических величин. Это свойство сохранения. Но закон сохранения импульса выполняется только в замкнутой системе.
Система тел называется замкнутой, если взаимодействующие между собой тела, не взаимодействуют с другими телами.
Импульс каждого из тел, составляющих замкнутую систему, может меняться в результате их взаимодействия друг с другом.
Векторная сумма импульсов тел, составляющих замкнутую систему, не меняется с течением времени при любых движениях и взаимодействиях этих тел.
В этом заключается закон сохранения импульса.
Примеры: ружье и пуля в его стволе, пушка и снаряд, оболочка ракеты и топливо в ней.
Закон сохранения импульса.
Закон сохранения импульса выводится из второго и третьего законов Ньютона.
Рассмотрим замкнутую систему, состоящую из двух тел – шаров с массами m 1 и m 2 , которые движутся вдоль прямой в одном направлении со скоростью? 1 и? 2 . С небольшим приближением можно считать, что шары представляют собой замкнутую систему.
Из опыта видно, что второй шар движется с большей скоростью (вектор изображен более длинной стрелочкой). Поэтому он нагонит первый шар и они столкнуться. (Просмотр эксперимента с комментариями учителя).
Математический вывод закона сохранения
А сейчас мы с вами побудим “полководцами”, используя законы математики и физики сделаем математический вывод закона сохранения импульса.
5) При каких условиях выполняется этот закон?
6) Какую систему называют замкнутой?
7) Почему происходит отдача при выстреле из ружья?
5. Решение задач (10мин.)
№ 323 (Рымкевич).
Два неупругих тела, массы которых 2 и 6 кг, движутся навстечу друг другу со скоростями 2 м/с каждое. С какой скоростью и в каком направлении будут двигаться эти тела после удара?
Учитель комментирует рисунок к задаче.
7. Подведение итогов урока; домашнее задание (2 мин)
Домашнее задание: § 41, 42 упр. 8 (1, 2).
Литература:
- В. Я. Лыков. Эстетическое воспитание при обучении физике. Книга для учителя. -Москва “ПРОСВЯЩЕНИЕ”1986.
- В. А. Волков. Поурочные разработки по физике 10 класс. - Москва “ ВАКО”2006.
- Под редакцией профессора Б. И. Спасского. Хрестоматия по физике. -МОСКВА “ПРОСВЯЩЕНИЕ”1987.
- И. И. Мокрова. Поурочные планы по учебнику А. В. Перышкина “Физика. 9класс”. - Волгоград 2003.
В результате взаимодействия тел их координаты и скорости могут непрерывно изменяться. Могут изменяться и силы, действующие между телами. К счастью, наряду с изменчивостью окружающего нас мира существует и неизменный фон, обусловленный так называемыми законами сохранения, утверждающими постоянство во времени некоторых физических величин, характеризующих систему взаимодействующих тел как целое.
Пусть
на тело массой m
в течение времени t
действует какая-то постоянная сила
.
Выясним, как произведение этой силы на
время её действия
связано с изменением состояния этого
тела.
Закон сохранения импульса обязан своим существованием такому фундаментальному свойству симметрии, как однородность пространства .
Из второго закона Ньютона (2.8) мы видим, что временная характеристика действия силы связана с изменением импульса Fdt=dP
Импульсом тела P называют произведение массы тела на скорость его движения:
(2.14)
Единица импульса - килограмм-метр в секунду (кг м/с).
Направлен импульс всегда в туже сторону, что и скорость.
В современной формулировки закон сохранения импульса гласит : при любых процессах, происходящих в замкнутой системе, её полный импульс остаётся неизменным.
Докажем справедливость этого закона. Рассмотрим движение двух материальных точек, взаимодействующих только между собой (рис. 2.4).
Такую
систему можно назвать изолированной в
том смысле, что нет взаимодействия с
другими телами. По третьему закону
Ньютона, силы, действующие на эти тела,
равны по величине и противоположны по
направлению:
Используя второй закон Ньютона, это можно выразить как:
Объединяя эти выражения, получим
Перепишем данное соотношение, используя понятие импульса:
Следовательно,
Если изменение какой-либо величины равно нулю, то эта физическая величина сохраняется. Таким образом, приходим к выводу: сумма импульсов двух взаимодействующих изолированных точек остается постоянной, независимо от вида взаимодействия между ними.
(2.15)
Этот вывод можно обобщить на произвольную изолированную систему материальных точек, взаимодействующих между собой. Если система не замкнута, т.е. сумма внешних сил, действующих на систему, не равна нулю: F ≠ 0 , закон сохранения импульса не выполняется.
Центром масс (центром инерции) системы называют точку, координаты которой заданы уравнениями:
(2.16)
где х 1 ; у 1 ; z 1 ; х 2 ; у 2 ; z 2 ; …; х N ; у N ; z N - координаты соответствующих материальных точек системы.
§2.5 Энергия. Механическая работа и мощность
Количественной мерой различных видов движения является энергия. При превращении одной формы движения в другую происходит изменение энергии. Точно также при передаче движения от одного тела к другому происходит уменьшение энергии одного тела и увеличение энергии другого тела. Такие переходы и превращения движения и, следовательно, энергии могут происходить либо в процессе работы, т.е. тогда, когда осуществляется перемещение тела при воздействии силы, либо в процессе теплообмена.
Для определения работы силы F рассмотрим криволинейную траекторию (рис. 2.5), по которой движется материальная точка из положения 1 в положение 2. Разобьем траекторию на элементарные, достаточно малые перемещения dr; этот вектор совпадает с направлением движения материаль ной точки. Модуль элементарного перемещения обозначим dS: |dr| = dS. Так как элементарное перемещение достаточно мало, то в этом случае силу F можно рассматривать неизменной и элементарную работу вычислять по формуле работы постоянной силы:
dA = F соsα dS = F соsα|dr|, (2.17)
или как скалярное произведение векторов:
(2.18)
Э
лементарная
работа
или
просто работа силы,
есть
скалярное произведение векторов силы
и элементарного перемещения.
Суммируя все элементарные работы, можно определить работу переменной силы на участке траектории от точки 1 до точки 2 (см. рис. 2.5). Эта задача сводится к нахождению следующего интеграла:
(2.19)
Пусть эта зависимость представлена графически (рис.2.6), тогда искомая работа определяется на графике площадью заштрихованной фигуры.
Заметим, что в отличие от второго закона Ньютона в выражениях (2.22) и (2.23) под F совсем не обязательно понимать равнодействующую всех сил, это может быть одна сила или равнодействующая нескольких сил.
Работа может быть положительной или отрицательной. Знак элементарной работы зависит от значения соsα. Так, например, из рисунка 2.7 видно, что при перемещении по горизонтальной поверхности тела, на которое действуют силы F, F тр и mg, работа силы F положительна (α > 0), работа силы трения F тр отрицательна (α = 180°), а работа силы тяжести mg равна нулю (α = 90°). Так как тангенциальная составляющая силы F t = F соs α, то элементарная работа вычисляется как произведение F t на модуль элементарного перемещения dS:
dA = F t dS (2.20)
Таким образом, работу совершает лишь тангенциальная составляющая силы, нормальная составляющая силы (α = 90°) работы не совершает.
Быстроту совершения работы характеризуют величиной, называемой мощностью.
Мощностью называется скалярная физическая величина, равная отношению работы ко времени, за которое она совер шается:
(2.21)
Учитывая (2.22), получаем
(2.22)
или N = Fυcosα (2.23) Мощность равна скалярному произведению векторов силы и скорости.
Из
полученной формулы видно, что при
постоянной мощности двигателя сила
тяги больше тогда, когда скорость
движения меньше
.
Именно поэтому водитель автомобиля при
подъёме в гору, когда нужна наибольшая
сила тяги, переключает двигатель на
малую скорость.
Загрузка...