高中物理人教版 (新课标)必修21.追寻守恒量——能量教学设计

动量定理

一、教学目的：

1.理解动量定理的确切含义和表达式，知道动量定理适用于变力.

2.能从牛顿运动定律和运动学公式推导出动量表达式.

3.会用动量定理解释有关物理现象，并能掌握一维情况下的计算问题.

二、教学重点：

理解动量定理的确切含义和表达式

三、教学难点：

       会用动量定理解释有关物理现象，并能掌握一维情况下的计算问题

四、教学用具：

生鸡蛋、较厚的海绵垫、细线、金属小球、橡皮筋、铁架台等

五、教学过程

演示引入新课

演示课件1鸡蛋落地;

【演示】一个鸡蛋从一米高的地方落到厚的海绵垫上(提示学生注意观察，演示课件1鸡蛋落地)，发现鸡蛋不会被打破.

在日常生活中，有不少这样的事例:跳远时要跳在沙坑里;跳高时在下落处要放海绵垫子;从高处往下跳，落地后双腿往往要弯曲;轮船边缘及轮渡的码头上都装有橡皮轮胎等.这样做的目的是为了缓冲.而在某些情况下，我们又不希望缓冲，比如用铁锤钉钉子.

为了解释这类现象，我们就来学习关于动量定理的知识.

【板书】二、动量定理

进行新课

下面以一个物体在恒定的合外力作用下进行动量定理的理论推导.                                                

【板书】一、理论推导

推导的依据:牛顿第二定律和运动学的有关公式.如                                                               

图7-7所示，物体的初动量为p=mv、末动量为p‘=mv‘，经历的时间为t ，由加速度的定义式由牛顿第二定律F=ma=，可得Ft=mv’－mv，

即Ft=p‘－p              

问:该式的左边Ft是什么量?右边p一p‘是什么意义?

该式就是动量定理的数学表达式。

【板书】二、动量定理  

1.物理意义:物体所受合外力的冲量等于物体的动量变化

2.公式:Ft=p’一p 其中F是物体所受合外力，p是初动量，p‘是末动量，t是物

体从初动量p变化到末动量p‘所需时间，也是合外力F作用的时间。

3.单位：F的单位是N，t的单位是s，p和P‘的单位是kg·m/s（kg·ms-1）。

 前面我们通过理论推导得到了动量定理的数学表达式，下面对动量定理作进一步的理解。 【板书】三、对动量定理的进一步认识

 1.动量定理中的方向性

  公式Ft= p‘一P=△p是矢量式，合外力的冲量的方向与物体动量变化的方向相同。  合外力冲量的方向可以跟初动量方向相同，也可以相反。

例如，匀加速运动合外力冲量的方向与初动量方向相同，匀减速运动合外力冲量方向与初动量方向相反，甚至可以跟初动量方向成任何角度。在中学阶段，我们仅限于初、末动量的方向、合外力的方向在同一直线上的情况(即一维情况)，此时公式中各矢量的方向可以用正、负号表示，首先要选定一个正方向，与正方向相同的矢量取正值，与正方向相反的矢量取负值。

    如图7-8所示，质量为m的球以速度v向右运动，                                 

与墙壁碰撞后反弹的速度为v’，碰撞过程中，小球所受         v         v’ 

墙壁的作用力F的方向句左.若取向左为正方向，则小                                                                图7-8

球所受墙壁的作用力为正值，初动量取负值，末动量取正值，因而根据动量定理可表示为Ft=p‘一p=mv‘一(一mv)=mv’十mv。此公式中F、v、v‘均指该物理量的大小(此处可紧接着讲课本上的例题)。

演示课件2小钢球碰到墙壁后返回.

演示;课件3小钢球碰到坚硬大理石后返回(人教社出版).

    【板书】2.动量的变化率:动量的变化跟发生这一变化所用的时间的比值。由动量定理Ft=△p得F=△P/t，可见，动量的变化率等于物体所受的合外力。当动量变化较快时，物体所受合外力较大，反之则小;当动量均匀变化时，物体所受合外力为恒力，

可由图7-9所示的图线来描述，图线斜率即为物体所受合外力F，斜率大，则F也大·                                                      △p

    【板书】3.动量定理的适用范围                                 F大

尽管动量定理是根据牛顿第二定律和运动学的有关公式在               F小

恒定合外力的情况下推导出来的.可以证明:

                                                        0                 t

动量定理不但适用于恒力，也适用于随时间变化的变力.         图7-9          

对于变力情况，动量定理中的F应理解为变力在作用时间内的

平均值.

在实际中我们常遇到变力作用的情况，比如用铁锤钉钉子，球拍击乒乓球等，钉子和乒乓球所受的作用力都不是恒力，这时变力的作用效果可     F

以等效为某一个恒力的作用，则该恒力就叫变力的平均值，

如图7-10所示，是变力与平均力的F-t图像，其图线与横轴          ，

所围的面积即为冲量的大小，当两图线面积相等时，即变力

与平均力在t0时间内等效.                                                     t     

利用动量定理不仅可以解决匀变速直线运动的问题，还         图7-10

可以解决曲线运动中的有关问题，将较难计算的问题转化为较易计算的问题，这一点将在以后的学习中逐步了解到.总之，动量定理有着广泛的应用.

下面，我们应用动量定理来解释鸡蛋下落是否会被打破等有关问题.

【板书】四、应用举例

鸡蛋从某一高度下落，分别与石头和海绵垫接触前的速度是相同的，也即初动量相同，碰撞后速度均变为零，即末动量均为零，因而在相互作用过程中鸡蛋的动量变化量相同.而两种情况下的相互作用时间不同，与石头碰时作用时间短，与海绵垫相碰时作用时间较长，由Ft=△p知，鸡蛋与石头相碰时作用大，会被打破，与海绵垫相碰时作用力较小，因而不会被打破.

接着再解释用铁锤钉钉子、跳远时要落入沙坑中等现象.在实际应用中，有的需要作用时间短，得到很大的作用力而被人们所利用，有的需要延长作用时间(即缓冲)减少力的作用.请同学们再举些有关实际应用的例子.加强对周围事物的观察能力，勤于思考，一定会有收获.

 演示;课件4缓冲装置(人教社出版)

【板书】用动量定理解释现象可分为下列三种情况: 

(l)△p一定，t短则F大，t长则F小;  

(2) △F一定，t短则△p小，t长则△p大;

(3)t一定，F大则△p大，F小则△p小.

做一做，课本上的缓冲装置摸拟的实验，请两个同学到讲台上操作，在老师指导下完成.

六、参考题  

 l..桌面上的一张纸条上压有一只茶杯，若缓慢拉动纸条，则茶杯会随纸条运动，若迅速拉动纸条，则纸条会从茶杯底下抽出来，请做一做，并用动量定理解释这个现象.

 2.质量为65kg的人从高处跳下，以7m/s的速度着地，与地面接触后经0·015停下，地面对他的作用力多大?这个力作用在人体上安全吗?为了安全，人跳下与地面接触后，双腿弯曲使人下蹲.若经1s停下，地面对他的作用力是多大?这个值会小于人的重力吗?并根据你的计算回答:在什么情况下要考虑自身的重力?什么情况下可以不考虑自身的重力?

 3.一个质点受到合外力F作用，若作用前后的动量大小分别为p和p’，动量的变化为△p，速度的变化为△v，则

    A.p=－p’是不可能的         B.△p垂直于p是可能的

    C.△P垂直于△v是可能的   D.△P=O是不可能的.

七、说明

 l.本节课的重点是动量定理的物理意义.动量定理是由牛顿第二定律导出的，学生对于这个推导过程是没有什么困难的.但是，有两点学生不容易理解:第一，动量定理与牛顿第二定律的区别何在?第二，有了牛顿第二定律为什么还要动量定理了应该使学生明确，牛顿第二定律表示的是力的瞬时作用效果，而由它所导出的动量定理是力的持续作用的效果，在推导过程中出现的F和t"融为"一体，这就是冲量.恒力作用有冲量，变力作用也有冲量.只要物体受到的冲量相同，而无论力大还是力小，其动量变化就一定相同.这样，即使在作用力比较复杂的情况下，牛顿第二定律难以应用时，动量定理却完全可以应用.

 2.动量定理和现实生活的联系比较紧密，在教学申应多举一些学生熟悉的例子，让学生应用动量定理做出定性的解释.在运用动量定理解决竖直方向的冲击力问题时，若接触时间很短，则自重可不予考虑，反之，自重就不可忽略，如参考题3.当接触时间为ls时，可能有的学生会得出"地面对人的平均作用力小于自重"的结论.所以，对于自重是否考虑，一般是需要经过计算才能确定的.

 3.对教学过程中的几点建议:

 ⑴本教案用了课本上用演示鸡蛋下落的实验引人新课的方法，以激发学生的兴趣.此实验之后，也可以演示让鸡蛋落入盘中，使之打破的实验，以证实鸡蛋碰石头会被打破的结论.也可以由上一节的冲量、动量及动量的变化的概念复习引入新课.

(2)对课本上的"缓冲装置摸拟"和课件演示实验，本教案采用在课堂完成.若课堂上时间较紧(这要视学生的层次高低而定)，则应指导学生在课后完成.课本上的例题放在讲解图7-8示例之后进行，有利于知识结构传授的连续性.

(3)参考题4牵涉到曲线运动中动量变化的问题，是为高层次的同学准备的，对普通学生不宜要求.

(4)对于缓冲问题中的"作用时间较长"，非缓冲问题中的"作用时间较短"的结论，学生往往会问:"你怎么知道时间的长短严 比如1s与0·01s尽管相差近百倍，但在实际问题中要靠人直接"感受"出来是很困难的.在有条件的学校，建议制作多媒体软件，对作用时间进行"放大"予以比较，或者用摄像机将缓冲与非缓冲的实验拍摄下来，通过放"慢镜头"来放大作用时间的不同，使学生能够从中"感受"到由于作用时间的不同导致作用力不同.