物理功與能PPT學(xué)習(xí)教案

1、會計學(xué)1物理功與能物理功與能210v20v1v2v1m2m1m2m1m2m12F21F碰撞前碰撞前碰撞時碰撞時碰撞后碰撞后二、兩球的正碰撞（對心碰撞）二、兩球的正碰撞（對心碰撞）1、對心碰撞、對心碰撞:如果兩球在碰撞前的速度在兩球如果兩球在碰撞前的速度在兩球的中心連線上，則碰撞后的速度也都在這一連的中心連線上，則碰撞后的速度也都在這一連線上，這種碰撞稱為線上，這種碰撞稱為對心碰撞（正碰撞）對心碰撞（正碰撞）。 第1頁/共50頁32 2、恢復(fù)系數(shù)（牛頓碰撞定律）、恢復(fù)系數(shù)（牛頓碰撞定律）)(1201012 vvvve碰前趨近速度碰前趨近速度碰后分離速度碰后分離速度物理實質(zhì)：物理實質(zhì)：反映總動能損

2、失程度反映總動能損失程度；數(shù)值由材料性質(zhì)定。（實驗測定）數(shù)值由材料性質(zhì)定。（實驗測定）0e1非對心碰撞又稱為斜碰非對心碰撞又稱為斜碰，指碰前速度方向，指碰前速度方向至少有一個不在球心連線上。至少有一個不在球心連線上。第2頁/共50頁43 3、動量守恒方程、動量守恒方程)(22211202101 vmvmvmvm無動能損失，稱無動能損失，稱完全彈性碰撞完全彈性碰撞；4 4、碰撞分類、碰撞分類動能損失最大，稱動能損失最大，稱完全非彈性碰撞完全非彈性碰撞；有部分動能損失，稱有部分動能損失，稱非完全彈性碰撞非完全彈性碰撞.第3頁/共50頁55 5、碰撞過程中能量的轉(zhuǎn)化、碰撞過程中能量的轉(zhuǎn)化（1 1）追

3、趕階段）追趕階段（2 2）壓縮階段：）壓縮階段：第一球追上第二球后，互相第一球追上第二球后，互相擠壓，形變逐漸增大，直到二球速度相等，此擠壓，形變逐漸增大，直到二球速度相等，此時二球形變最大，壓縮結(jié)束。時二球形變最大，壓縮結(jié)束。10v20v1m2m1m2m1f2f1m2m1f2f1m2m相遇無形變相遇無形變10v20v開始形變開始形變1v2v最大形變最大形變 1v 2v2010vv第4頁/共50頁6（3 3）恢復(fù)階段）恢復(fù)階段后球以彈力作用于前球，使它的速度進(jìn)一步增后球以彈力作用于前球，使它的速度進(jìn)一步增大，前球以彈力作用于后球，使它進(jìn)一步減速大，前球以彈力作用于后球，使它進(jìn)一步減速，這一階段

4、形變逐漸恢復(fù)，直到形變不再恢復(fù)，這一階段形變逐漸恢復(fù)，直到形變不再恢復(fù)，相互作用力為零，相互作用力為零， 恢復(fù)階段結(jié)束恢復(fù)階段結(jié)束1f2f1m2m最大形變最大形變 1v 2v1f2f1m2m形變減小形變減小1v2v1m2m分離分離1v2v（4）分開階段）分開階段21vv 演示演示T3-6.SWF第5頁/共50頁7完全彈性碰撞：完全彈性碰撞：碰后兩球完全恢復(fù)原狀碰后兩球完全恢復(fù)原狀 動能動能 形變能形變能 動能動能完全非彈性碰撞：完全非彈性碰撞：碰后兩球形變完全沒有恢復(fù)碰后兩球形變完全沒有恢復(fù) 動能動能 形變能形變能非完全彈性碰撞：非完全彈性碰撞：碰后兩球形變部分恢復(fù)碰后兩球形變部分恢復(fù) 動能動

5、能 形變能形變能 動能動能可能轉(zhuǎn)化為其他形式能量：熱能，聲能可能轉(zhuǎn)化為其他形式能量：熱能，聲能第6頁/共50頁8三、速度公式及動能損失三、速度公式及動能損失)3(12120102101mmvvmevv)4(12120101202mmvvmevv)5(1212201021212vvmmmmeE由（由（1 1）（）（2 2）可得：）可得：第7頁/共50頁9四、討論四、討論1 1完全彈性碰撞完全彈性碰撞由（由（3 3）（）（4 4）可得：可得：21202102112)(mmmmmvvv21101201222)(mmmmmvvv1201012vvvve動能損失動能損失 2201021212121vvm

6、mmmeE 動能不損失動能不損失第8頁/共50頁10（1）若若21mm 102201 vvvv，討論討論1v2vA1m2m10v20vBAB碰前碰前碰后碰后交換速度交換速度應(yīng)用：核反應(yīng)堆中應(yīng)用：核反應(yīng)堆中,用石墨或用石墨或重水作為中子的減速劑；應(yīng)重水作為中子的減速劑；應(yīng)選碳核、重氫核等較輕元素選碳核、重氫核等較輕元素第9頁/共50頁110 2101vvv，12mm （3）若若,且且0 20v1021012 vvvv，（2）若若0 20v12mm ,且且1v2vA1m2m10v20vBAB碰前碰前碰后碰后應(yīng)用：核反應(yīng)堆中防護(hù)材應(yīng)用：核反應(yīng)堆中防護(hù)材料（反射層）料（反射層）, 應(yīng)選鋁應(yīng)選鋁、鉛等較

7、重元素）、鉛等較重元素）第10頁/共50頁122 2完全非彈性碰撞完全非彈性碰撞2120210121mmvmvmvv由動量守恒可得：由動量守恒可得：0201012vvvve動能損失動能損失 2201021212121vvmmmmeE 動能損失最大動能損失最大第11頁/共50頁13動能損失動能損失：3 3非完全彈性碰撞非完全彈性碰撞2201021212121vvmmmmeE設(shè)設(shè)v20=0，此時損失的機(jī)械能為，此時損失的機(jī)械能為 21021212121vmmmmeE 021221012122111211Emmevmmmme碰撞前的機(jī)械能碰撞前的機(jī)械能0E第12頁/共50頁140212111Emme

8、E可知，動能損失與恢復(fù)系數(shù)及質(zhì)量比有關(guān)?？芍?，動能損失與恢復(fù)系數(shù)及質(zhì)量比有關(guān)。對鍛打（打鐵），對鍛打（打鐵），動能損失用于工件形變，動能損失用于工件形變，越多越好，取越多越好，取m m1 1mm2,用大汽錘。用大汽錘。第13頁/共50頁15lAB 例例1 1 在碰撞實驗中，在碰撞實驗中，常用如圖所示的儀器常用如圖所示的儀器。A為一小球，為一小球，B為蹄為蹄狀物，質(zhì)量分別為狀物，質(zhì)量分別為m1和和m2。開始時，開始時，A球從球從張角張角處落下，然后與處落下，然后與靜止的靜止的B物相碰撞，嵌物相碰撞，嵌入入B中一起運(yùn)動，求兩中一起運(yùn)動，求兩物到達(dá)最高處的張角物到達(dá)最高處的張角。第14頁/共50頁1

9、6lAB 解解 整個過程由整個過程由三個階段三個階段組成組成：由圖中：由圖中A A到到B B，球，球A A 受重力和受重力和懸線張力作用，對地球、小球懸線張力作用，對地球、小球系統(tǒng)，重力為保守內(nèi)力，張力系統(tǒng)，重力為保守內(nèi)力，張力不作功，機(jī)械能守恒過程；不作功，機(jī)械能守恒過程；取取B B點(diǎn)的重力勢能為零。小球在點(diǎn)的重力勢能為零。小球在A A點(diǎn)速度為點(diǎn)速度為v) 1 (cos121121glmvm第15頁/共50頁17A A、B B與碰撞過程作用時間極短，可認(rèn)為是兩與碰撞過程作用時間極短，可認(rèn)為是兩者在者在B B處瞬間完成的（沒有位移），此過程是處瞬間完成的（沒有位移），此過程是完全非彈性碰撞完全

10、非彈性碰撞，水平方向的動量守恒；，水平方向的動量守恒；設(shè)小球碰后的速度為設(shè)小球碰后的速度為v)2(211vmmvm兩者一起上升的過程與第一階段相似，是機(jī)兩者一起上升的過程與第一階段相似，是機(jī)械能守恒的過程。械能守恒的過程。 )3(cos12121221glmmvmm第16頁/共50頁18三階段得到的三個關(guān)系聯(lián)立解得三階段得到的三個關(guān)系聯(lián)立解得 cos121cos2211 mmm第17頁/共50頁19例例2:2:“哥倫比亞哥倫比亞”號失事原因中的力學(xué)模型號失事原因中的力學(xué)模型 20032003年年2 2月月1 1日日, , 美國美國“哥哥倫比亞倫比亞”號航天飛機(jī)在返回途號航天飛機(jī)在返回途中飛臨德

11、州上空時解體墜毀中飛臨德州上空時解體墜毀. .第18頁/共50頁20“哥倫比亞哥倫比亞”號事故的直接技術(shù)原因號事故的直接技術(shù)原因這架航天飛機(jī)發(fā)射升空秒后，從其這架航天飛機(jī)發(fā)射升空秒后，從其外部燃料箱外脫落的一塊泡沫材料撞上了航外部燃料箱外脫落的一塊泡沫材料撞上了航天飛機(jī)左翼前緣的熱保護(hù)部件并形成了裂孔天飛機(jī)左翼前緣的熱保護(hù)部件并形成了裂孔。月日，當(dāng)航天飛機(jī)重返大氣層時，超。月日，當(dāng)航天飛機(jī)重返大氣層時，超高溫氣體從裂孔處進(jìn)入了高溫氣體從裂孔處進(jìn)入了“哥倫比亞哥倫比亞”號機(jī)號機(jī)體，引發(fā)了一系列連鎖反應(yīng)，造成航天飛機(jī)體，引發(fā)了一系列連鎖反應(yīng)，造成航天飛機(jī)解體，名宇航員全部遇難。解體，名宇航員全部遇

12、難。 20032003年年2 2月月5 5日新聞發(fā)布會公布的數(shù)據(jù)日新聞發(fā)布會公布的數(shù)據(jù): :撞擊撞擊的泡沫塊質(zhì)量約的泡沫塊質(zhì)量約1.3kg,1.3kg,撞擊速度約撞擊速度約250m/s,250m/s,航天飛機(jī)的速度約航天飛機(jī)的速度約700m/s.700m/s.第19頁/共50頁21完全非彈性碰撞模型完全非彈性碰撞模型設(shè)航天飛機(jī)質(zhì)量為設(shè)航天飛機(jī)質(zhì)量為M，飛行速度為，飛行速度為v；泡沫塊質(zhì)；泡沫塊質(zhì)量為量為m，撞擊速度為，撞擊速度為v0，速度方向與航天飛機(jī)，速度方向與航天飛機(jī)飛行的方向在同一直線上二者相撞后的共同飛行的方向在同一直線上二者相撞后的共同速度為速度為v沿航天飛機(jī)運(yùn)動的方向取坐標(biāo)軸沿航天

13、飛機(jī)運(yùn)動的方向取坐標(biāo)軸由動量守恒定律得：由動量守恒定律得：vmMmvMv)(0)m/s(7001)(00vMmvMmvmMmvMvv)(mM v第20頁/共50頁22“+（-）”泡沫塊與航天飛機(jī)運(yùn)動方向相同（反泡沫塊與航天飛機(jī)運(yùn)動方向相同（反）smvsmv/,/2507000泡沫所受平均撞擊力：泡沫所受平均撞擊力：時間的估算據(jù)時間的估算據(jù)美方研究實驗美方研究實驗數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)2011011225070031.)(.tmvvmFN)(.FN)(.F(11441077210855（同向運(yùn)動）（同向運(yùn)動）反向運(yùn)動）反向運(yùn)動）第21頁/共50頁23完全彈性正碰撞模型完全彈性正碰撞模型設(shè)設(shè): :碰撞前泡沫塊速

14、度為碰撞前泡沫塊速度為v1, ,航天飛機(jī)速度為航天飛機(jī)速度為v2；碰撞后泡沫塊速度為；碰撞后泡沫塊速度為v，仍取航天飛機(jī)運(yùn)動，仍取航天飛機(jī)運(yùn)動的方向為坐標(biāo)軸由動量守恒和動能守恒可得的方向為坐標(biāo)軸由動量守恒和動能守恒可得：122121121212vvMmvvMmMmMvvMmv)()()(mM 第22頁/共50頁24smvsmv/,/25070012（同向）（同向）反向反向smsmv/)(/)(1150165025070021)N(107 .111011. 2)2501650(3 . 142112tmvvmF“+”同向運(yùn)動；同向運(yùn)動；“-”反向運(yùn)動反向運(yùn)動)N(1055. 51011. 2)25

15、01150(3 . 142112tmvvmF第23頁/共50頁25由上述計算可知，無論采用哪種模型，無由上述計算可知，無論采用哪種模型，無論泡沫塊的運(yùn)動方向與航天飛機(jī)運(yùn)動方向相同論泡沫塊的運(yùn)動方向與航天飛機(jī)運(yùn)動方向相同還是相反，泡沫塊對還是相反，泡沫塊對“哥倫比亞哥倫比亞”號的平均撞號的平均撞擊力的數(shù)量級都達(dá)到了擊力的數(shù)量級都達(dá)到了 ，該力能夠使航天，該力能夠使航天飛機(jī)左翼等處的隔熱瓦損壞，最終造成機(jī)毀人飛機(jī)左翼等處的隔熱瓦損壞，最終造成機(jī)毀人亡的事故亡的事故N104第24頁/共50頁26流體力學(xué)流體力學(xué)是研究流體的運(yùn)動規(guī)是研究流體的運(yùn)動規(guī)律及流體與相鄰固體之間相互律及流體與相鄰固體之間相互作

16、用的學(xué)科作用的學(xué)科.第25頁/共50頁27 一一. .實際流體的性質(zhì)實際流體的性質(zhì)1.1.可壓縮性可壓縮性 2.2.粘滯性：粘滯性：相鄰流層間存在沿界面的一對切向摩擦力相鄰流層間存在沿界面的一對切向摩擦力，稱為濕摩擦力或粘滯力，流體具有的這，稱為濕摩擦力或粘滯力，流體具有的這種性質(zhì)叫粘滯性。種性質(zhì)叫粘滯性。第26頁/共50頁28二二. .理想流體的穩(wěn)定流動理想流體的穩(wěn)定流動1.1.理想流體理想流體: :絕對不可壓縮絕對不可壓縮, ,完全沒有粘滯性的流體完全沒有粘滯性的流體. .一般情況下，流體流動時，空間各點(diǎn)的流一般情況下，流體流動時，空間各點(diǎn)的流速隨位置和時間的不同而不同，即速隨位置和時間的

17、不同而不同，即),(tzyxvv 則稱該流動為則稱該流動為穩(wěn)定流動穩(wěn)定流動v(x,y,z)v 若流體質(zhì)點(diǎn)通過空間任一固定點(diǎn)的流速不若流體質(zhì)點(diǎn)通過空間任一固定點(diǎn)的流速不隨時間變化的流動，即隨時間變化的流動，即2.穩(wěn)定流動穩(wěn)定流動第27頁/共50頁29三、連續(xù)性方程三、連續(xù)性方程如圖，對于一段細(xì)如圖，對于一段細(xì)流管，任一橫截面流管，任一橫截面上各點(diǎn)物理量可看上各點(diǎn)物理量可看作是均勻的。作是均勻的。dt dt 時間內(nèi)通過時間內(nèi)通過 S S1 1 進(jìn)入流管段的流體質(zhì)量為，進(jìn)入流管段的流體質(zhì)量為，dtvSdm1111同一時間內(nèi)通過同一時間內(nèi)通過S S2 2流出流管段的流體質(zhì)量為，流出流管段的流體質(zhì)量為，

18、dtvSdm2222第28頁/共50頁30三、連續(xù)性方程三、連續(xù)性方程12穩(wěn)定流動則有穩(wěn)定流動則有21dmdm 即即dtvSdtvS222111222111vSvS 穩(wěn)定流動穩(wěn)定流動時的時的連續(xù)性方程連續(xù)性方程常數(shù)常數(shù)Sv流體作流體作穩(wěn)定流動穩(wěn)定流動時，同一流管中任一截面處的時，同一流管中任一截面處的流體密度流體密度 、流速、流速 v v 和該截面面積和該截面面積 S S 的乘的乘積為一常量。積為一常量。第29頁/共50頁31三、連續(xù)性方程三、連續(xù)性方程122211vSvS若流體不可壓縮若流體不可壓縮 ( ( 1 1= = 2 2 ) )，則，則常數(shù)常數(shù)Sv不可壓縮不可壓縮的流體作的流體作定常

19、流動定常流動時，流管的橫截時，流管的橫截面積與該處平均流速的乘積為一常量。面積與該處平均流速的乘積為一常量。 穩(wěn)定流動穩(wěn)定流動時的時的連續(xù)性方連續(xù)性方程程S大v小 ； S小 v大第30頁/共50頁32 伯努利方程伯努利方程如圖，在一彎曲管中，如圖，在一彎曲管中， 穩(wěn)流穩(wěn)流著不可壓縮的密度為著不可壓縮的密度為 的流體的流體. pa = p1、Sa=S1 , pb =p2 , Sb=S2 ， 求流體的壓強(qiáng)求流體的壓強(qiáng) p 和速率和速率 v 之間的關(guān)系之間的關(guān)系2vvb1vv ayxo2y1y2p1p1v2vab1A2A第31頁/共50頁33222111dxSpdxSpdAp 取如圖所示坐標(biāo)，在取如

20、圖所示坐標(biāo)，在 時間內(nèi)時間內(nèi) 、 處流體分別移動處流體分別移動 、 tda b1dx2dxVxSxSddd2211VppApd)(d211x11dxx 2x22dxx yxo2y1y2p1p1v2vab1S2Sba第32頁/共50頁34VyygyygmEpd)()(d2121VyygVVVppd)(d21d21d)(12212221vv222221112121vvgypgyp=常常量量初初態(tài)態(tài)末末態(tài)態(tài)1x11dxx 2x22dxx yxo2y1y2p1p1v2vab1S2Sba第33頁/共50頁35VyygyygmAgd)()(dd212121221221d21d21d)(d)(vvVVVyy

21、gVpp222221112121vvgypgyp=常常量量1x11dxx 2x22dxx yxo2y1y2p1p1v2vab1A2A第34頁/共50頁36若將流管放在水平面上，即若將流管放在水平面上，即21yy 221vgyp常量常量 伯努利方程伯努利方程則有則有221vp常量常量yxo2y1y2p1p1v2vab1A2A第35頁/共50頁37221vp常量常量2222112121vvpp即即21pp 21vv 若若則則結(jié)論結(jié)論理想流體在做穩(wěn)定流動時，流速大的地方理想流體在做穩(wěn)定流動時，流速大的地方壓強(qiáng)小，流速小的地方壓強(qiáng)大壓強(qiáng)小，流速小的地方壓強(qiáng)大第36頁/共50頁38BBBAAAghvPg

22、hvP222121AhBhhAB例例1 1一大蓄水池一大蓄水池, ,下面開一小孔放水下面開一小孔放水. .設(shè)水面設(shè)水面到小孔中心的高度為到小孔中心的高度為h , ,求小孔處的流速求小孔處的流速vB B . .C解：解：取自由液面處一點(diǎn)取自由液面處一點(diǎn)A及小孔處及小孔處B點(diǎn)點(diǎn),應(yīng)應(yīng)用伯努利方程用伯努利方程0BABA0SSPPPvA第37頁/共50頁39AhBhhAB)(20PPghvCCghvghPPCAC221CghvB2ghhhgvBAB)(221代入已知條件得代入已知條件得結(jié)論：結(jié)論：小孔流小孔流速與物體自水速與物體自水面自由面自由 降落到小孔處降落到小孔處的速度相同的速度相同。第38頁/

23、共50頁40例例2 2：范丘里流量計：范丘里流量計 范丘里流量計是一種最簡單的流量計，范丘里流量計是一種最簡單的流量計， 測量時如圖放置。在測量時如圖放置。在A AB B兩點(diǎn)處取截面兩點(diǎn)處取截面S SA AS SB B，應(yīng)用伯努利方程，應(yīng)用伯努利方程將將 PA A- -PB B= =gh, , 代入上式得代入上式得222121BBAAvPvP222BABABBAASSghSSvSvSQhAB2222BAABSSghSvBBAAvSvS第39頁/共50頁41例例3 3 利用一管徑均勻的虹吸管從水庫中引水利用一管徑均勻的虹吸管從水庫中引水，其最高點(diǎn)，其最高點(diǎn)B B比水庫水面高比水庫水面高3.0m，

24、管口，管口C C比水庫比水庫水面低水面低5.0m, ,求虹吸管內(nèi)水的流速和求虹吸管內(nèi)水的流速和B B點(diǎn)處的壓點(diǎn)處的壓強(qiáng)強(qiáng). .解解（1 1）A A、C C兩點(diǎn)應(yīng)用伯努利方程兩點(diǎn)應(yīng)用伯努利方程CCCAAAghvPghvP222121smghhhgvCAC/.)(992221h2hBCDA代入代入，將將0AvPPCA第40頁/共50頁42(2)(2)對對B B、C C兩點(diǎn)應(yīng)用伯努利方程兩點(diǎn)應(yīng)用伯努利方程 由于由于P PC C=P=P0 0 , , ,則有則有由此可見，虹吸管最高處的壓強(qiáng)比大氣壓強(qiáng)小由此可見，虹吸管最高處的壓強(qiáng)比大氣壓強(qiáng)小CCCBBBghvPghvP222121PahhgPhhgPP

25、CBB421001032.)()(CBvv 1h2hBCDA第41頁/共50頁431 1、常用定理定律關(guān)系、常用定理定律關(guān)系 由牛頓第二定律推出：由牛頓第二定律推出：動量定理動量定理動能定理動能定理機(jī)械能守恒定律機(jī)械能守恒定律動量守恒定動量守恒定律律功能原理功能原理角動量定理角動量定理角動量守恒定律角動量守恒定律 解決問題的思路按此順序倒過來，解決問題的思路按此順序倒過來，首先考慮用守恒定律解決問題。首先考慮用守恒定律解決問題。若要若要求力的細(xì)節(jié)則必須用牛頓第二定律。求力的細(xì)節(jié)則必須用牛頓第二定律。第42頁/共50頁44范圍：慣性系、宏觀低速運(yùn)動（只有動量守范圍：慣性系、宏觀低速運(yùn)動（只有動量

26、守恒、角動量守恒、能量守恒對宏觀、微觀都恒、角動量守恒、能量守恒對宏觀、微觀都適用）。適用）。 2、 各定理、定律的適用條件，適用范圍。各定理、定律的適用條件，適用范圍。3、勢能零點(diǎn)、勢能零點(diǎn)有些綜合問題，既有重力勢能，又有彈性勢有些綜合問題，既有重力勢能，又有彈性勢能，注意各勢能零點(diǎn)的位置，不同勢能零點(diǎn)能，注意各勢能零點(diǎn)的位置，不同勢能零點(diǎn)位置可以同，位置可以同， 也可以不同。（問：一般選也可以不同。（問：一般選哪里為勢能零點(diǎn)？）哪里為勢能零點(diǎn)？）第43頁/共50頁45討討論論 2、下列各物理量中，與參照系有關(guān)的物、下列各物理量中，與參照系有關(guān)的物理量是哪些？（不考慮相對論效應(yīng)）理量是哪些？（不考慮相對論效應(yīng)） ( (1) ) 質(zhì)量質(zhì)量 ( (2) )動量動量 ( (3) ) 沖量沖量 ( (4) ) 動能動能 ( (5) )勢能勢能 ( (6) )功功作業(yè)：習(xí)題冊作業(yè)：習(xí)題冊P13P13 51，52，62，69第44頁/共50頁46 3. 3. 兩木塊兩木塊A、B質(zhì)量