Урок по физике "Импульс тела. Закон сохранения импульса". Закон сохранения импульса

Задачи урока:

1. Продолжить формирование понятий об импульсе тела и импульсе силы, а также умений применять их к анализу явления взаимодействия тел в простейших случаях;
2. Добиться усвоения учащимися формулировки закона сохранения импульса, научить школьников записывать уравнение закона в векторной форме для двух взаимодействующих тел;
3. Требовать от учащихся анализа механического взаимодействия тел; умения выделять признаки явления, по которым оно обнаруживается; указывать условия, при которых происходит рассматриваемое явление; объяснять примеры использования явления;
4. Повторить принцип относительности Галилея, раскрыть смысл относительности в применении к закону сохранения импульса;
5. Ознакомить учащихся с применением закона сохранения импульса в военной и космической технике, объяснить принцип реактивного движения.

План урока:

1. Повторение темы: “Импульс тела”.
2. Изучение нового материала.
3. Введение понятия о механической системе.
4. Теоретический вывод закона сохранения импульса.
5. Условия применения закона сохранения импульса.
6. Обоснование утверждения: закон сохранения импульса справедлив во всех инерциальных системах отсчета.
7. Закон сохранения импульса в технике и природе.
8. Закрепление.
9. Задание на дом.

Методы и приемы:

1. Тестирование. Беседа, обсуждение результатов тестирования. Работа с учебником.
2. Абстрагирование, моделирование.
3. Беседа. Демонстрация опытов. Работа с учебником.
4. Беседа. Работа с учебником. Компьютерный эксперимент.
5. Работа с учебником. Наблюдения. Обобщение наблюдений. Выдвижение гипотезы. Теоретическое предвидение. Эксперимент.
6. Беседа. Наблюдения. Обобщение наблюдений.
7. Демонстрация. Наблюдение. Компьютерное моделирование.
8. Повторение основных моментов урока. Обсуждение качественных вопросов.
9. Записи в дневниках.

Актуализация:

Учитель: На предыдущем уроке мы познакомились с одним из основных понятий механики – импульсом: импульсом силы и импульсом тела. Что означает в переводе на русский язык слово “импульс”?

Ученик: Импульс в переводе с латинского языка означает “толчок, удар, побуждение”. Раньше использовался термин “количество движения”.

Учитель: Кто впервые ввел в физику понятие количества движения?

Ученик: Понятие количества движения впервые было введено в физику в XVII в. французским ученым Р. Декартом при изучении им законов механического движения.

Учитель: Эффекты, производимые ударом, толчком всегда вызывали удивление:

• почему тяжелый молот, лежащий на куске железа, только прижимает его к опоре, а тот же молот, ударяя по металлу, изменяет форму изделия?
• в чем секрет циркового фокуса, когда сокрушительный удар молота по массивной наковальне не наносит никакого вреда человеку, на груди которого установлена эта наковальня?
• каким образом движется медуза, кальмар и т.п.?
• почему ракета применяется для космических полетов, от чего она отталкивается при своем движении?

На эти и другие подобные вопросы, вы сможете ответить, узнав на уроке об одном из основных законов физики – законе сохранения импульса, применяемом не только в механике, но и в других областях физики, и имеющем огромное значение для научной и практической деятельности человека. К обсуждению некоторых из этих вопросов мы вернемся в конце урока.

Ученикам объявляется тема урока: “Закон сохранения импульса”, а также цели урока:

• еще раз вспомним, что такое импульс силы и импульс тела, повторим, как связаны эти физические величины между собой;
• изучим закон сохранения импульса и рассмотрим условия его применимости;
• узнаем, какое значение имеет этот закон в живой природе и как он применяется в авиационной и космической технике.

Повторение темы “Импульс материальной точки”

Для проверки знаний по теме “Импульс материальной точки” используется тест, состоящий из четырех вопросов в двух вариантах. Каждый вопрос демонстрируется на экране в PowerPoint: <Приложение 1 >. Время, отведенное на выполнение каждого задания, ограничено, вопросы сменяются автоматически на экране. Ответы ученики выставляют в двух бланках, выданных заранее. Один из бланков сдается после окончания работы учителю, второй ученики оставляют для проверки результата и анализа своей работы. После окончания работы на экране демонстрируются варианты правильных ответов и, в случае необходимости учитель может вернуться с помощью гиперссылок к вопросам или прокомментировать правильный ответ. Предложенные вопросы теста проверяют следующие элементы знаний:

• понятие “импульс тела” и “импульс силы”, направление импульса;
• связь импульса силы и импульса тела;
• векторный характер импульса, упругий и неупругий удар, направление изменения импульса;
• принцип Галилея и относительность импульса тела в ИСО.

Изложение нового материала:

Учитель: Скажите, почему необходимо было ввести в физику понятие импульса?

Ученик: Основную задачу механики – определение положения тела в любой момент времени – можно решить с помощью законов Ньютона, если заданы начальные условия и силы, действующие на тело, как функции координат, скоростей и времени. Для этого необходимо записать второй закон Ньютона: ученик записывает на доске и поясняет запись: <Рисунок 1>.

Ученик: Из этой записи видно, что сила, требуемая для изменения скорости движущегося тела за определенный промежуток времени, прямо пропорциональна как массе тела, так и величине изменения его скорости.

Учитель: Какой вывод еще можно сделать из полученной записи II закона Ньютона?

Ученик: Импульс тела изменяется под действием данной силы одинаково у всех тел, если время действия силы одинаково.

Учитель: Верно. Это очень важный вывод и эта форма записи II закона Ньютона используется при решении многих практических задач, в которых требуется определить конечный результат действия силы. И, кроме того, эта запись позволяет связать действие силы непосредственно с начальными и конечными скоростями тел, не выясняя промежуточного состояния системы взаимодействующих тел, так как на практике это, как правило, не всегда возможно. Таким образом ясно, что переоценить роль механического удара в технике трудно. Неудивительно, что закономерности (но не теория) удара были установлены эмпирически задолго до открытия основных принципов динамики.

Демонстрируется в PowerPoint историческая справка “Изучение упругих и неупругих ударов”: <Приложение 2 >. В процессе сообщения исторической справки демонстрируются результаты исследований упругого и неупругого удара: <Рисунок 2>.

В опыте “а” доказывается, что при скатывании шара с наклонного желоба с лотком, импульс, приобретаемый шаром в т. А, пропорционален дальности его полета в горизонтальном направлении, а значит и скорости в этом направлении.

В опыте “б” показывается, что при упругом столкновении одинаковых шаров, находящихся на горизонтальном участке лотка в момент удара в т. А, происходит обмен импульсами.

В опыте “в” показывается, что при неупругом центральном столкновении шаров одинаковой массы (между ними помещается небольшой кусочек пластилина) оба шара проходят одинаковые расстояния, т.е. общий импульс шаров до удара и после удара одинаков.

Введение понятия о механической системе

Учитель: Поскольку одной из основных наших целей на уроке является вывод закона сохранения импульса взаимодействующих тел и выяснение границ его применимости, то начнем рассмотрение этого вопроса с анализа взаимодействия двух тел в замкнутой системе. Учитель анализирует рисунок 104 из : <Рисунок 3 >. На доске делаются дополнительные рисунки: <Рисунок 4>.

Учитель: Физическая система считается замкнутой, если внешние силы не действуют на эту систему. Однако реально создать такую систему невозможно, так как, например, действие гравитационных сил простирается до бесконечности, поэтому будем считать, что замкнутая система – система тел, в которой действие внешних сил компенсируется. Но, строго говоря, даже в этом случае замкнутая система является абстракцией, т.к. действие некоторых внешних сил (например, силу трения), не всегда возможно компенсировать. В этом случае подобными силами, как правило, пренебрегают.

Вывод закона сохранения импульса

Учитель: Исследуем физическую модель абсолютно упругого взаимодействия двух шаров, образующих замкнутую систему: учащиеся работают с учебником, анализируя рисунок 104 из учебника , который дублируется на доске в PowerPoint: <Рисунок 3>.

Учитель: Назовите основные черты рассматриваемой модели физического явления?

Шары считаем материальными точками (или удар центральный);

Удар абсолютно упругий, что означает, что деформации нет: суммарная кинетическая энергия тел до удара равна суммарной кинетической энергии тел после удара;

Пренебрегаем действием сил сопротивления и тяжести, а также другими возможными внешними силами.

Учитель: Действие каких сил, и в какой момент показано на чертеже?

Ученик: При столкновении шаров между ними действуют силы упругости F 12 и F 21 , которые по III закону Ньютона равны по модулю и противоположны по направлению.

Учитель: Запишите это математически.

Ученик на доске записывает выражение: <Рисунок 5>

Учитель: Что можно сказать о времени действия этих сил на тела?

Ученик: Время действия тел друг на друга при взаимодействии одинаково.

Учитель: Применяя второй закон Ньютона, перепишите полученное равенство, используя, начальные и конечные импульсы взаимодействующих тел.

Ученик на доске, комментируя, выводит закон сохранения импульса: <Рисунок 6>

Учитель: К какому выводу вы пришли?

Ученик: Геометрическая сумма импульсов тел после взаимодействия равна геометрической сумме импульсов этих тел до взаимодействия.

Учитель: Да, действительно, это утверждение и является законом сохранения импульса: Суммарный импульс замкнутой системы тел остается постоянным при любых взаимодействиях тел системы между собой.

Учитель: Прочитайте формулировку закона сохранения импульса на стр. 128 учебника и ответьте на вопрос: Могут ли внутренние силы системы изменить общий импульс системы?

Ученик: Внутренние силы системы не могут изменить импульс системы.

Учитель: Верно. Посмотрите опыт и объясните его.

Эксперимент: На гладкой горизонтальной поверхности демонстрационного стола располагают четыре одинакового катка параллельно друг другу. На них кладут полосу плотного картона длиной около 80 см. Механическая игрушка движется в одну сторону, а картон в противоположную.

Учитель обращает внимание учащихся на то, что в этом опыте при обмене импульсами между телами в замкнутой системе центр масс этой системы не меняет своего положения в пространстве. Движущееся тело и опора составляют замкнутую систему взаимодействующих тел. При взаимодействии этих тел возникают внутренние силы, тела обмениваются импульсами, а общий импульс системы не меняется, это видно по тому, что центр масс системы не меняет своего положения в пространстве. Внутренние силы изменяют импульсы отдельных тел системы, но изменить импульс всей системы они не могут.

Условия применимости закона сохранения импульса

Учитель: Мы сформулировали закон сохранения импульса с учетом введенного ограничения в виде модели взаимодействующих тел замкнутой системы. Но все реальные системы, строго говоря, не являются замкнутыми. Тем не менее, во многих случаях закон сохранения импульса можно применять. Как вы считаете, в каких случаях это допустимо?

Ученик 1: Если внешние силы малы по сравнению с внутренними силами системы, и их действием можно пренебречь.

Ученик 2: Когда внешние силы компенсируют друг друга.

Учитель: К сказанному надо добавить, что закон сохранения импульса можно применять еще и в том случае, если начальные и конечные состояния системы отделены малым интервалом времени (например, взрыв гранаты, выстрел из орудия и т.п.). За это время такие внешние силы, как силы тяжести и трения, заметно не изменят импульс системы.

Но и это еще не все возможные условия применения закона сохранения импульса. Скажите, будет ли система тел на Земле или вблизи поверхности Земли являться замкнутой, например, два шарика и тележка?

Ученик: Нет, так как на эти тела действует сила тяжести, которая является внешней силой.

Учитель: Это утверждение верное, запомним его и проделаем три опыта: <Рисунок 7>

В первом опыте будем наблюдать падение шарика в тележку, скатившегося по правому желобу. Затем повторим опыт, отпуская шарик с той же высоты по левому желобу. И, наконец, оба шарика с одинаковой высоты падают вдоль обоих желобов в ту же тележку. Объясните, почему тележка в первых двух опытах двигалась, а в третьем осталась неподвижной.

Ученик: В первых двух опытах тележка перемещалась в разные стороны, но на одинаковое расстояние. Она получала импульсы при взаимодействии с каждым из шаров.

Учитель: Правильно. Что вы можете сказать о горизонтальных проекциях импульсов шаров. Объясните результаты третьего опыта.

Ученик: Так как шарики движутся с одинаковой высоты и имеют равные массы, то горизонтальные проекции их импульсов равны и противоположно направлены. Следовательно, их сумма равна нулю, поэтому тележка остается неподвижной.

Учитель: Это происходит потому, что в горизонтальном направлении на тела не действует сила тяжести, а сила трения и сила сопротивления воздуха малы. В подобных случаях применяют закон сохранения импульса, так как система тел считается замкнутой вдоль определенного направления.

Далее по учебнику (стр. 129 пример: система “винтовка – пуля”) показывается, что: Закон сохранения импульса можно применить, если проекция равнодействующей внешних сил на выбранное направление равна нулю.

Относительность закона сохранения импульса

Учитель: Попытаемся ответить на вопрос: во всех ли инерциальных системах отсчета справедлив закон сохранения импульса? Может система отсчета, связанная с Землей, обладать преимуществом по сравнению с другими системами отсчета?

Далее демонстрируется опыт по взаимодействию тел на неподвижной и движущейся платформе. Равномерное движение обеспечивается технической игрушкой с электромотором. На экране результаты эксперимента дублируются в заранее приготовленной демонстрационной презентации: <Приложение 3 >.

Учитель: Одинаковы ли импульсы тел в системах отсчета “Земля” и “платформа”?

Ученик: Нет, так скорости тележек относительно Земли и платформы различны.

Учитель: Верно. В этом проявляется относительность импульса. Запишите импульсы взаимодействующих на платформе тел, используя введенные на рисунке обозначения.

Ученик: (комментируя):

В системе отсчета “Земля”: <Рисунок 8>

В системе отсчета “Платформа”: <Рисунок 9>

Учитель: Что нам известно об импульсе системы тел относительно Земли?

Ученик: Импульс замкнутой системы тел относительно Земли сохраняется.

Учитель: Выразите скорости тел относительно платформы через скорость тел относительно Земли и проанализируйте полученное выражение.

Ученик: (комментируя): <Рисунок 10>

таким образом: <Рисунок 11>

Так как: <Рисунок 12> , (m 1 + m 2) и v 0 тоже не меняются со временем, то значит импульс тел в системе отсчета “Платформа” также сохраняется: <Рисунок 13>

Учитель: Итак, мы показали, что закон сохранения импульса выполняется во всех инерциальных системах отсчета. Это соответствует принципу относительности Галилея.

Закон сохранения импульса в технике и природе

На экране в PowerPoint демонстрируются примеры реактивного движения в технике и природе <Приложение 4 >.

Учитель: Что общего у кальмара, личинки стрекозы и космического челнока “Space Shatll”?

Ученик: Все рассмотренные тела при своем движении используют принцип реактивного движения.

Учитель: Верно. Рассмотрим подробнее принцип реактивного движения, изученный ранее в 9-м классе. Реактивное движение – движение, возникающее при отделении от тела с некоторой скоростью какой-либо его части.

Демонстрируется реактивное движение на примере движения воздушного шарика на платформе: <Рисунок 14>.

Учитель: Рассмотрим модель реактивного движения.

Учитель: Смоделируем действие реактивного двигателя: <Приложение 6 >.

Пренебрегая взаимодействием ракеты с внешними телами, будем считать систему “ракета – газы” замкнутой;

Топливо и окислитель выгорают сразу;

М – масса оболочки, v – скорость оболочки, m – масса газа, выбрасываемого из сопла, u – скорость истечения газов.

Оболочка ракеты и продукты сгорания образуют замкнутую систему. Следовательно, оболочка вместе со второй ступенью приобретает импульс p 0 = Mv , а истекающий из сопла газ приобретает импульс p г = - mu . Так как до старта импульс оболочки и газа был равен 0, то p 0 = - p г и оставшаяся часть ракеты будет двигаться со скоростью v = mu/M в направлении, противоположном направлению истечения продуктов сгорания. После того как полностью сгорает топливо первой ступени и расходуется окислитель, баки горючего и окислителя этой ступени превращаются в лишний балласт. Поэтому они автоматически отбрасываются, и дальше разгоняется уже меньшая оставшаяся масса корабля. Уменьшение массы позволяет получить существенную экономию топлива и окислителя во второй ступени и увеличить ее скорость.

После этого рассматривается “Краткая история запуска космических кораблей”. Доклад осуществляет ученик с использованием слайдов PowerPoint: <Приложение 7 >.

Закон сохранения импульса в живой природе

Учитель: Заметим, что по существу почти всякое изменение характера движения - это реактивное движение и происходит оно по закону сохранения импульса. В самом деле, когда человек идет или бежит, он отталкивает ногами Землю назад. За счет этого он сам продвигается вперед. Конечно, скорость Земли при этом оказывается во столько же раз меньше скорости человека, во сколько раз масса Земли больше массы человека. Именно поэтому мы движение Земли не замечаем. А вот если вы из лодки прыгнете на берег, то откат лодки в противоположном направлении будет вполне заметен.

Очень часто применяется принцип реактивного движения в живой природе, например кальмары, осьминоги, каракатицы используют именной подобный тип движения.

Медуза при своем движении набирает воду в полость тела, а затем резко выбрасывает ее из себя и движется вперед за счет силы отдачи.

Закрепление, обобщение

Вопросы для закрепления демонстрируются на экране в PowerPoint: <Приложение 8 >

Заключение

Завершая урок, хотелось бы сказать, что законы в физике нельзя рассматривать как истину в последней инстанции; к ним надо относиться как к моделям, которые можно применять к решению отдельных задач и к отысканию таких решений, которые находятся в хорошем согласии с опытом, подтвержденным специально поставленными экспериментами. Сегодня на уроке мы изучили одну из наиболее фундаментальных моделей: закон сохранения импульса. Мы убедились, что использование этого закона позволяет объяснять и предсказывать явления не только механики, что говорит о большом философском смысле этой модели. Закон сохранения импульса служит доказательством единства материального мира: он подтверждает неуничтожимость движения материи.

Список использованной литературы

1. Бутиков Е.И., Быков А.А., Кондратьев А.С. Физика для поступающих в ВУЗы: Учебное пособие. – 2-е изд., испр. – М.: Наука, 1982.

2. Голин Г.М., Филонович С.Р. Классики физической науки (с древнейших времен до начала XX века): Справ. пособие. – М.: Высшая школа, 1989.

3. Гурский И.П. Элементарная физика с примерами решения задач: Учебное руководство /Под ред. Савельева И.В. – 3-е изд., перераб. – М.: Наука, 1984.

4. Иванова Л.А. Активизация познавательной деятельности учащихся при изучении физики: Пособие для учителей. – М.: Просвещение, 1983.

5. Касьянов В.А. Физика.10-й кл.: Учебник для общеобразовательных учебных заведений. – 5-е изд., стереотип. – М.: Дрофа, 2003.

6. Методика преподавания физики в средней школе: Механика; пособие для учителя. Под ред. Э.Е. Эвенчик. Издание второе, переработанное. – М.: Просвещение, 1986.

7. Современный урок физики в средней школе /В.Г. Разумовский, Л.С. Хижнякова, А.И. Архипова и др.; Под ред. В.Г. Разумовского, Л.С. Хижняковой. – М.: Просвещение, 1983.

Импульсом (количеством движения) тела называют физическую векторную величину, являющуюся количественной характеристикой поступательного движения тел. Импульс обозначается р . Импульс тела равен произведению массы тела на его скорость, т.е. он рассчитывается по формуле:

Направление вектора импульса совпадает с направлением вектора скорости тела (направлен по касательной к траектории). Единица измерения импульса – кг∙м/с.

Общий импульс системы тел равен векторной сумме импульсов всех тел системы:

Изменение импульса одного тела находится по формуле (обратите внимание, что разность конечного и начального импульсов векторная):

где: p н – импульс тела в начальный момент времени, p к – в конечный. Главное не путать два последних понятия.

Абсолютно упругий удар – абстрактная модель соударения, при которой не учитываются потери энергии на трение, деформацию, и т.п. Никакие другие взаимодействия, кроме непосредственного контакта, не учитываются. При абсолютно упругом ударе о закрепленную поверхность скорость объекта после удара по модулю равна скорости объекта до удара, то есть величина импульса не меняется. Может поменяться только его направление. При этом угол падения равен углу отражения.

Абсолютно неупругий удар – удар, в результате которого тела соединяются и продолжают дальнейшее своё движение как единое тело. Например, пластилиновый шарик при падении на любую поверхность полностью прекращает свое движение, при столкновении двух вагонов срабатывает автосцепка и они так же продолжают двигаться дальше вместе.

Закон сохранения импульса

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, 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 (ЗСИ) . Следствием его являются законы Ньютона. Второй закон Ньютона в импульсной форме может быть записан следующим образом:

Как следует из данной формулы, в случае если на систему тел не действует внешних сил, либо действие внешних сил скомпенсировано (равнодействующая сила равна нолю), то изменение импульса равно нолю, что означает, что общий импульс системы сохраняется:

Аналогично можно рассуждать для равенства нулю проекции силы на выбранную ось. Если внешние силы не действуют только вдоль одной из осей, то сохраняется проекция импульса на данную ось, например:

Аналогичные записи можно составить и для остальных координатных осей. Так или иначе, нужно понимать, что при этом сами импульсы могут меняться, но именно их сумма остается постоянной. Закон сохранения импульса во многих случаях позволяет находить скорости взаимодействующих тел даже тогда, когда значения действующих сил неизвестны.

Сохранение проекции импульса

Возможны ситуации, когда закон сохранения импульса выполняется только частично, то есть только при проектировании на одну ось. Если на тело действует сила, то его импульс не сохраняется. Но всегда можно выбрать ось так, чтобы проекция силы на эту ось равнялась нулю. Тогда проекция импульса на эту ось будет сохраняться. Как правило, эта ось выбирается вдоль поверхности по которой движется тело.

Многомерный случай ЗСИ. Векторный метод

В случаях если тела движутся не вдоль одной прямой, то в общем случае, для того чтобы применить закон сохранения импульса, нужно расписать его по всем координатным осям, участвующим в задаче. Но решение подобной задачи можно сильно упростить, если использовать векторный метод. Он применяется если одно из тел покоится до или после удара. Тогда закон сохранения импульса записывается одним из следующих способов:

Из правил сложения векторов следует, что три вектора в этих формулах должны образовывать треугольник. Для треугольников применяется теорема косинусов.

• Назад
• Вперёд

Как успешно подготовиться к ЦТ по физике и математике?

Для того чтобы успешно подготовиться к ЦТ по физике и математике, среди прочего, необходимо выполнить три важнейших условия:

1. Изучить все темы и выполнить все тесты и задания приведенные в учебных материалах на этом сайте. Для этого нужно всего ничего, а именно: посвящать подготовке к ЦТ по физике и математике, изучению теории и решению задач по три-четыре часа каждый день. Дело в том, что ЦТ это экзамен где мало просто знать физику или математику, нужно еще уметь быстро и без сбоев решать большое количество задач по разным темам и различной сложности. Последнему научиться можно только решив тысячи задач.
2. Выучить все формулы и законы в физике, и формулы и методы в математике . На самом деле, выполнить это тоже очень просто, необходимых формул по физике всего около 200 штук, а по математике даже чуть меньше. В каждом из этих предметов есть около десятка стандартных методов решения задач базового уровня сложности, которые тоже вполне можно выучить, и таким образом, совершенно на автомате и без затруднений решить в нужный момент большую часть ЦТ. После этого Вам останется подумать только над самыми сложными задачами.
3. Посетить все три этапа репетиционного тестирования по физике и математике. Каждый РТ можно посещать по два раза, чтобы прорешать оба варианта. Опять же на ЦТ, кроме умения быстро и качественно решать задачи, и знания формул и методов необходимо также уметь правильно спланировать время, распределить силы, а главное правильно заполнить бланк ответов, не перепутав ни номера ответов и задач, ни собственную фамилию. Также в ходе РТ важно привыкнуть к стилю постановки вопросов в задачах, который на ЦТ может показаться неподготовленному человеку очень непривычным.

Успешное, старательное и ответственное выполнение этих трех пунктов позволит Вам показать на ЦТ отличный результат, максимальный из того на что Вы способны.

Нашли ошибку?

Если Вы, как Вам кажется, нашли ошибку в учебных материалах, то напишите, пожалуйста, о ней на почту. Написать об ошибке можно также в социальной сети (). В письме укажите предмет (физика или математика), название либо номер темы или теста, номер задачи, или место в тексте (страницу) где по Вашему мнению есть ошибка. Также опишите в чем заключается предположительная ошибка. Ваше письмо не останется незамеченным, ошибка либо будет исправлена, либо Вам разъяснят почему это не ошибка.

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 действиясвязано 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)

Элементарная 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.

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.

Простые наблюдения и опыты доказывают, что покой и движение относительны, скорость тела зависит от выбора системы отсчета; по второму закону Ньютона независимо от того, находилось ли тело в покое или двигалось, изменение скорости его движения может происходить только под действием силы, т. е. в результате взаимодействия с другими телами. Однако существуют величины, которые могут сохраняться при взаимодействии тел. Такими величинами являются энергия и импульс .

Импульсом тела называют векторную физиче¬скую величину, являющуюся количественной характеристикой поступательного движения тел. Импульс обозначается . Импульс тела равен произведению массы тела на его скорость: . Направление вектора импульса р совпадает с направлением вектора скорости тела . Единица импульса - .

Для импульса системы тел выполняется закон сохранения, который справедлив только для замкнутых физических систем. В общем случае замкнутой называют систему, которая не обменивается энергией и массой с телами и полями, не входящими в нее. В механике замкнутой называют систему, на которую не действуют внешние силы или действие этих сил скомпенсировано. В этом случае , где - начальный импульс системы, а - конечный. В случае двух тел, входящих в систему, это выражение имеет вид , где - массы тел, а - скорости до взаимодействия, - скорости после взаимодействия (рис. 4). Эта формула и является математическим выражением закона сохранения импульса: импульс замкнутой физической системы сохраняется при любых взаимодействиях, происходящих внутри этой системы. Другими словами: в замкнутой физической системе геометрическая сумма импульсов тел до взаимодействия равна геометрической сумме импульсов этих тел после взаимодействия . В случае незамкнутой системы импульс тел системы не сохраняется. Однако если и системе существует направление, по которому внешние силы не действуют или их действие скомпенсировано, то сохраняется проекция импульса на это направление. Кроме того, если время взаимодействия мало (выстрел, взрыв, удар), то за это время даже в случае незамкнутой системы внешние силы незначительно изменяют импульсы взаимодействующих тел. Поэтому для практических расчетов в этом случае тоже можно применять закон сохранения импульса.

Экспериментальные исследования взаимодействий различных тел - от планет и звезд до атомов и элементарных частиц - показали, что в любой системе взаимодействующих тел при отсутствии действия со стороны других тел, не входящих в систему, или равенстве нулю суммы действующих сил геометрическая сумма импульсов тел действительно остается неизменной.

В механике закон сохранения импульса и законы Ньютона связаны между собой. Если на тело массой в течение времени действует сила и скорость его движения изменяется от до , то ускорение движения а тела равно . На основании второго закона Ньютона для силы можно записать , отсюда следует

. - векторная физическая величина, характеризующая действие на тело силы за некоторый промежуток времени и равная произведению силы на время ее действия, называется импульсом силы . Единица импульса силы - .

Закон сохранения импульса лежит в основе реактивного движения. Реактивное движение - это такое движение тела, которое возникает после отделения от тела его части.

Пусть тело массой покоилось. От тела отделилась какая-то его часть массой со скоростью Тогда оставшаяся часть придет в движение в противоположную сторону со скоростью , масса оставшейся части . Действительно, сумма импульсов обеих частей тела до отделения была равна нулю и после разделения будет равна нулю:

Отсюда .

Большая заслуга в развитии теории реактивного движения принадлежит К. Э. Циолковскому.

Он разработал теорию полета тела переменной массы (ракеты) в однородном поле тяготения и рассчитал запасы топлива, необходимые для преодоления силы земного притяжения; основы теории жид¬костного реактивного двигателя, а также элементы его конструкции; теорию многоступенчатых ракет, причем предложил два варианта: параллельный (несколько реактивных двигателей работают одновременно) и последовательный (реактивные двигатели работают друг за другом). К. Э. Циолковский строго научно доказал возможность полета в космос с помощью ракет с жидкостным реактивным двигателем, предложил специальные траектории посадки космических аппаратов на Землю, выдвинул идею создания межпланетных орбитальных станций и подробно рассмотрел условия жизни и жизнеобеспечения на них. Технические идеи Циолковского находят применение при создании современной ракетно-космической техники. Движение с помощью реактивной струи по закону сохранения импульса лежит в основе гидрореактивного двигателя. В основе движения многих морских моллюсков (осьминогов, медуз, кальмаров, каракатиц) также лежит реактивный принцип.

Распространенные ошибки

1. Встречались абитуриенты, допускавшие грубую ошибку при объяснении принципа действия реактивного двигателя. Они утверждали, что движение реактивного самолета обусловлено взаимодействием выбрасываемых газов и воздуха: самолет действует на воздух, а воздух, согласно третьему закону Ньютона,- на самолет, в результате чего он движется. Это, конечно, неверно. ДЕйствительной причиной движения реактивного самолета является взаимодействие истекающих из сопла газов, которые образуются при сгорании топлива. За счет большого давления в камере сгорания эти газы приобретают некоторый импульс, поэтому, согласно закону сохранения импуьса, самолет получает такой же по модулю, но противоположный по направлению импульс. Так что самолет не отталкивается от воздуха. Напротив, атмосферный воздух является лишь помехой движению самолета.

2. Некоторый учащиеся не могут дать полный и правильный ответ на вопрос: в какиз случаях можно применять закон сохранения импульса. Полезно запомнить следующие критерии его применимости:

1. система тел замкнута, т.е. на тела этой системы не действуют внешние силы;
2. на тела системы действуют внешние силы, но их векторная сумма равна нулю
3. система не замкнута, но сумма проекций всех внешних сил на какую-либо координатную ось равна нулю; тогда остается постоянной и сумма проекций импульсов всех тел системы на эту ось.
4. время взаимодействия тел мало (например, время удара, выстрела, взрыва); в этом случае импульсаом внешних сил можно пренебречь и рассматривать систему как замкнутую.