Импульс тела. Закон сохранения импульса

Министерство здравоохранения Республики Мордовия

ГБПОУ Республики Мордовия «Саранский медицинский колледж»

Методическая разработка по дисциплине «Физика»

Тема: «Импульс тела. Закон сохранения импульса»

Подготовила: преподаватель А. Д. Горина

Саранск 2016

 

Цель: усвоение теоретических основ изучаемой темы (импульс тела, импульс силы, упругий и не упругий удар, закон сохранения импульса, реактивное движение).

Обеспечение занятия: учебник, конспект лекции, презентация (приложение), резиновый шарик, две тележки на колесах, грузы разной массы, шарики из пластилина.

Тип занятия: урок-лекция

Технология обучения: развивающее обучение

Методы обучения: лекция, работа с книгой

Компетенции:

Компетенции:

ОК 1. Организовывать собственную деятельность, выбирать типовые методы и способы выполнения профессиональных задач, оценивать их эффективность и качество.

ОК 2. Осуществлять поиск и использование информации, необходимой для эффективного выполнения профессиональных задач, профессионального и личностного развития.

ОК 3. Использовать информационно-коммуникационные технологии в профессиональной деятельности.

ОК 4. Самостоятельно определять задачи профессионального и личностного развития, заниматься самообразованием, осознанно планировать повышение своей квалификации.

ОК 5. Бережно относиться к историческому наследию и культурным традициям народа, уважать социальные, культурные и религиозные различия.

ПК 1. Оформлять документы первичного учета.

ПК 2. Проводить мероприятия по сохранению и укреплению здоровья населения, пациента и его окружения.

Межпредметные связи: история, биология

Используемая литература: Жданов Л.С., Жданов Г.Л. Физика для средних специальных учебных заведений

Содержание занятия

1 этап - организационный момент: 3-5 мин

2 этап - актуализация знаний: 10-15 мин

3 этап - изложение нового материала: 40-57 мин

4 этап - закрепление нового материала:10-15 мин

5 этап - задание на дом: 2 мин

6 этап - подведение итогов: 3 мин

Здесь будет файл: /data/edu/files/x1459950954.ppt (Импульс тела.Закон сохранения импульса)

 

Ход занятия

1. Организационный момент.

Отметка отсутствующих, проверка внешнего вида учащихся, санитарного состояния кабинета

2. Актуализация знаний.

Для актуализации знаний, обучающиеся в форме группового обсуждения вспоминают характеристики таких величин, как сила и масса.

1) Сила представляет собой векторную величину, которая обладает некоторым значением.

2) Масса - мера инертности тела, т.е. способности изменять свою скорость.

Данные величины вспоминались для того, чтобы на основе знаний о них ввести новую величину «Импульс тела».

3. Изложение нового материала.

1) Импульс тела, импульс силы.

2) Упругий и не упругий удар. Закон сохранения импульса.

3) Реактивное движение.

1) Введем новую физическую величину — импульс мате­риальной точки. Дадим другую формулировку второго за­кона Ньютона.

Второй закон Ньютона та = F можно записать в иной форме, которая приведена самим Ньютоном в его главном труде «Математические начала натуральной философии». Если на тело (материальную точку) действует постоянная сила, то постоянным будет и ускорение тела , где υ2 и υ1 - начальное и конечное значения скорости тела.

Подставив это значение ускорения во второй закон Ньютона, получим

В этом уравнении появляется новая физическая вели­чина — импульс тела. Импульсом тела (материальной точки) называется ве­личина, равная произведению массы тела на его скорость. Импульс является фундаментальной и сохраняющейся характеристикой состояния физической системы.

Обозначив импульс (его также называют иногда количеством движения) буквой p, получим:

Из формулы можно увидеть, что импульс является векторной величиной.

Обозначим через импульс тела в начальный момент времени, через импульс в конечный момент времени. Тогда есть изменение импульса тела за промежуток времени Δt. Уравнение (1) можно записать так:

Изменение импуль­са тела (материальной точки) про­порционально приложенной к нему силе и имеет такое же направление, как и сила. Именно так был впервые сформулирован второй закон Ньютона. Произведение силы на время ее действия называют импульсом силы.

Поэтому можно сказать, что измене­ние импульса тела равно импуль­су действующей на него силы. Уравнение пока­зывает, что одинаковые изменения импульса могут быть получены в результате действия большой силы в течение малого интервала времени или малой силы за большой промежуток времени.

2) Под столкновением в физике понимают взаимодействие тел при их относитель­ном перемещении. Для классификации результа­та этого взаимодействия вводят понятие абсолютно неупругого и абсолютно упругого ударов.

Абсолютно неупругий удар — столкновение тел, в результате которого тела движутся как единое целое.

Демонстрация

Два пластилиновых шарика движутся навстречу друг другу. После столкновения можно заметить, что они стали двигаться как единое целое. После этого проводится анализ демонстрации, и приводятся другие случаи, в которых можно наблюдать неупругое столкновение тел.

Примерами абсолютно неупругого удара также явля­ется столкновение различных тел с поверхностью земли, мухи с ло­бовым стеклом автомобиля, пули с песком, при ударе тела о препятствие и т. д. При столкновении данных тел всегда можно заметить возникающее изменение формы тела (деформацию тел). Отсюда вытекают основные закономерности неупругого удара.

При неупругом ударе механическая энергия системы не сохраняется. Часть кинетической энергии сталкивающихся тел идет на их не­обратимую деформацию, изменяя внутреннюю энергию тел (переходя в тепло).

Абсолютно упругий удар — столкновение, при котором деформация тел оказывается обратимой, т. е. исчезающей после прекра­щения взаимодействия.

Демонстрация

Два резиновых мячика движутся навстречу друг другу. После столкновения они отталкиваются и продолжают движение в противоположных направлениях. Обучающиеся должны ответить после этого на некоторые вопросы:

1) Что произошло с формой шаров при столкновении? После столкновения?

При столкновении шаров можно заметить их небольшую деформации, после столкновения она исчезает.

2) Приведите примеры упругих столкновений?

Абсолютно упруго сталкиваются многие эле­ментарные частицы, бильярдные шары, теннисный мяч с ракеткой.

Скорости тел различной массы после абсо­лютно упругого удара зависят от соотношения масс тел. Рассмотрим такие столкновения на примерах.

При столкновении тела с неподвижным, первое останавливается, неподвижное - приобретает скорость первого (в приложении показывается анимация данного движения, также делается демонстрация движения тележек под грузами разных масс).

При столкновении тел, которые движутся с одинаковыми скоростями, масса которых отличается в два раза, тело с большей массой приобретает меньшую скорость, тело с меньшей массой приобретает большую скорость (в приложении показывается анимация данного движения, также делается демонстрация движения тележек под грузами разных масс).

При движении двух одинаковых тел, скорости которых отличаются в два раза, тело, которое догоняло другое, приобретет меньшую скорость, чем второе (в приложении показывается анимация данного движения, также делается демонстрация движения тележек под грузами разных масс).

Абсолютно неупругий и абсолютно упругий удары являются физическими моделями для опи­сания реальных столкновений.

ЗАКОН СОХРАНЕНИЯ ИМПУЛЬСА

Закон сохранения импульса является следствием вто­рого и третьего законов Ньютона. Для простоты будем считать, что система состоит всего из двух тел. Это могут быть две звезды, два бильярдных шара или два других тела.

Силы, возникающие в результате взаимодействия тела, принадлежащего системе, с телом, не принадлежащим ей, называются внешними силами. Если рассматривать систе­му, состоящую из двух бильярдных шаров, то сила взаимодействия ша­ров с краем стола при ударе о него, сила трения шара о поверхность сто­ла — внешние силы. Пусть на тела системы действуют внешние силы F1 и F2.

Силы, возникающие в результате взаимодействия тел, принадлежащих системе, называются внутренними силами. Обозначим их через F12 и F2 1. По третьему закону Ньютона F1 2 = -F21. Отсюда следует, что сумма внутренних сил всегда равна нулю:

Вследствие действия сил на тела системы их импульсы изменяются. Если взаимодействие рассматривается за ма­лый промежуток времени Δt, то для тел системы можно записать второй закон Ньютона в виде:

Сложив эти равенства, получим

(1)

В левой части равенства (1) стоит сумма изменений импульсов всех тел системы, т. е. изменение импульса са­мой системы (под импульсом системы мы будем понимать геометрическую сумму импульсов всех тел системы):

(2)

Учитывая равенство (1), можно равенство (2) запи­сать так:

(3)

где F — геометрическая сумма всех внешних сил, действу­ющих на тела системы.

Мы доказали весьма важное положение: импульс сис­темы тел могут изменить только внешние силы, причем изменение импульса системы Δрсист совпадает по направлению с суммарной внешней силой. Внутренние силы из­меняют импульсы отдельных тел системы, но изменить суммарный импульс системы они не могут.

Уравнение (3) справедливо для любого интервала вре­мени Δt, если сумма внешних сил остается постоянной. Из уравнения (3) вытекает закон сохранения импуль­са. Если внешние силы на систему не действуют или их сумма равна нулю, то Δр = 0 и импульс системы остается неизменным, или, как говорят, сохраняется:

Закон сохранения импульса формулируется так: если сумма внешних сил равна нулю, то импульс системы тел сохраняется. Иначе говоря, в этом слу­чае тела могут только обмениваться импульсами, суммар­ное же значение импульса не изменяется.

Импульс, очевидно, сохраняется в изолированной сис­теме тел, так как в этой системе на тела вообще не дейст­вуют внешние силы. Но область применения закона сохра­нения импульса шире: если даже на тела системы действуют внешние силы, но их сумма равна нулю (т. е. система является замкнутой), то импульс системы все равно сохраняется.

3) Большое значение закон сохранения импульса имеет для исследования реактивного движения. Под реактивным движением понимают движение тела, возникающее при отделении некоторой его части с определенной скоростью относительно него, например, при истечении продуктов сгорания из сопла реактивного летательного аппарата. При этом появляется так называемая реактивная сила, толкающая тело.

Реактивное движение — движение, возникаю­щее при отделении от тела с некоторой скоростью какой-либо его части.

Наблюдать реактивное движение можно очень просто. Надуйте детский резиновый шарик и отпустите его. Ша­рик стремительно полетит. Движение, правда, будет кратковременным. Реактивная сила действует лишь до тех пор, пока продолжается истечение воздуха. Главная особенность реактивной силы в том, что она возникает в результате взаимодействия частей системы без какого- либо взаимодействия с внешними телами. В нашем приме­ре шарик летит за счет взаимодействия с вытекающей из него струей воздуха. Сила же, сообщающая ускорение пе­шеходу на земле, пароходу на воде или винтовому самолету в воздухе, возникает только за счет взаимодействия этих тел с землей, водой или воздухом.

В настоящее время в связи с освоением космического пространства получили широкое распространение реактивные дви­гатели. Применяются они также в метеорологических и военных ра­кетах различного радиуса дейст­вия. Все современные скоростные самолеты оснащены реактивными двигателями.

В космическом пространстве ис­пользовать какие-либо другие дви­гатели, кроме реактивных, невозможно, так как там нет опоры (твердой, жидкой или газообраз­ной), отталкиваясь от которой кос­мический корабль мог бы получать ускорение. Применение же реактив­ных двигателей в самолетах и раке­тах, не выходящих за пределы ат­мосферы, связано с тем, что именно реактивные двигатели способны обеспечить необходимую скорость полета.

Реактивные двигатели делятся на два основных класса: ракетные и воздушно-реактивные. В ракетных двигателях горючее и необходимый для его горения окислитель находятся непосредственно внутри двигателя или в его топливных баках.

Основы теории реактивного двигателя и научное доказа­тельство возможности полетов в межпланетном простран­стве были впервые высказаны и разработаны русским ученым К. Э. Циолковским в работе «Исследование мировых пространств реактивными приборами».

К. Э. Циолковскому принадлежит также идея приме­нения многоступенчатых ракет. Отдельные ступени, из ко­торых составлена ракета, снабжаются собственными дви­гателями и запасом топлива. По мере сгорания топлива каждая очередная ступень отделяется от ракеты. Поэтому в дальнейшем на ускорение корпуса этой ступени и ее двигателя топливо не расходуется.

Порох или какое-либо другое топливо, содержащее и горючее, и окислитель, помешают внутрь камеры сгора­ния двигателя. При сгорании топлива образуются газы, имеющие очень высокую температуру и оказывающие дав­ление на стенки камеры. Газы вырываются из сопла раке­ты с большой скоростью, в результате чего, в соответствии с законом сохранения импульса, ракета приобретает ско­рость в противоположном направлении. Импульс системы ракета — продукты сгорания остается равным нулю. Так как масса ракеты уменьшается, то даже при постоянной скорости истечения газов ее скорость будет увеличиваться, постепенно достигая максимального значения.

Сужение камеры сгорания (сопла) приводит к увели­чению скорости истечения продуктов сгорания, так как через меньшее поперечное сечение в единицу времени должен пройти газ той же массы, что и через большее попереч­ное сечение. Движение ракеты — это пример движения тела с пере­менной массой. Для расчета ее ско­рости используют не второй закон Ньютона, а закон сохранения им­пульса.

Применяются также ракетные двигатели, работающие на жидком топливе. В жидкостно-реактивных двигателях в качестве горю­чего можно использовать керосин, бензин, спирт, анилин, жидкий во­дород и др., а в качестве окислите­ля, необходимого для горения, — жидкий кислород, азотную кисло­ту, жидкий фтор, перекись водорода и др. Горючее и окислитель хранятся отдельно в спе­циальных баках и с помощью насосов подаются в камеру сгорания, где температура повышается до 3000°С, а давле­ние — до 50 атм. В остальном двигатель работает так же, как и двигатель на твердом топливе. Жидкостно-реактивные двигатели используются для запуска космических кораблей. Воздушно-реактивные двигатели в настоящее время применяют главным образом в самолетах. Основное их от­личие от ракетных двигателей состоит в том, что окисли­телем для горения топлива служит кислород воздуха, по­ступающего внутрь двигателя из атмосферы. Реактивными двигателями оснащены не только раке­ты, но и большая часть современных самолетов.

Кроме того, реактивное движение имеет широкое распространения в природе. В южных странах и на побережье Черного моря произрастает растение под названием «бешеный огурец». Стоит только слегка прикоснуться к созревшему плоду, похожему на огурец, как он отскакивает от плодоножки, а через образовавшееся отверстие из плода фонтаном   со скоростью до 10 м/с вылетает жидкость с семенами.

Реактивное движение, используемое ныне в самолетах, ракетах и космических снарядах, свойственно осьминогам, кальмарам, каракатицам, медузам – все они, без исключения, используют для плавания реакцию (отдачу) выбрасываемой струи воды.

Кальмар является самым крупным беспозвоночным обитателем океанских глубин. Он передвигается по принципу реактивного движения, вбирая в себя воду, а затем с огромной силой проталкивая ее через особое отверстие - «воронку», и с большой скоростью (около 70 км/ч) двигается толчками назад. При этом все десять щупалец кальмара собираются в узел над головой и он приобретает обтекаемую форму.

Сальпа - морское животное с прозрачным телом, при движении принимает воду через переднее отверстие, причем вода попадает в широкую полость, внутри которой по диагонали натянуты жабры. Как только животное сделает большой глоток воды, отверстие закрывается. Тогда продольные и поперечные мускулы сальпы сокращаются, все тело сжимается, и вода через заднее отверстие выталкивается наружу. Реакция вытекающей струи толкает сальпу вперед.

4. Закрепление нового материала:10-15 мин

Вопросы для самоконтроля:

Что такое импульс тела?

Что такое импульс силы?

При каком условии импульс тела сохраняется?

Какая система тел называется замкнутой?

Сформулируйте закон сохранения импульса.

Как эффект отдачи используется в реактивном движении?

5. Задание на дом: 2 мин

лекция

6. Подведение итогов: 3 мин

(выставляются оценки, их комментарий)