Как найти модуль импульсов шариков

Как найти модуль изменения импульса шарика при ударе?

Условие задачи:

Найти модуль изменения импульса шарика массой 20 г за 3 с свободного падения. Сопротивление воздуха не учитывать.

Задача №2.1.31 из «Сборника задач для подготовки к вступительным экзаменам по физике УГНТУ»

Дано:

(m=20) г, (Delta t=3) с, (Delta p-?)

Решение задачи:

Согласно второму закону Ньютона в общем виде:

[F = frac{{Delta p}}{{Delta t}}]

В этой формуле (F) – это равнодействующая сила, действующая на шарик. На него действует только одна сила – сила тяжести:

[F = mg]

Имея две вышеприведенные формулы, в итоге получим:

[mg = frac{{Delta p}}{{Delta t}} Rightarrow Delta p = mgDelta t]

Переведем массу шарика в систему СИ.

[20; г = frac{{20}}{{1000}}; кг = 0,02; кг]

Изменение импульса шарика равно:

[Delta p = 0,02 cdot 10 cdot 3 = 0,6; кг cdot м/с]

Ответ: 0,6 кг·м/с.

Если Вы не поняли решение и у Вас есть какой-то вопрос или Вы нашли ошибку, то смело оставляйте ниже комментарий.

Смотрите также задачи:

2.1.30 На участке дороги, где для автотранспорта установлена предельная скорость 30 км/ч
2.1.32 Определить натяжение каната, к которому подвешена клеть подъемной машины
2.1.33 Парашютист, достигнув в затяжном прыжке скорости 55 м/с, раскрыл парашют

Словами этот закон сохранения можно сформулировать так:

В замкнутой системе сумма импульсов тел не меняется со временем.

Формула:

[ large boxed{ vec{p_{1}} + vec{p_{2}} + vec{p_{3}} + ldots + vec{p_{n}} = const}]

Помним, что при сложении векторов учитываем их направления.

Примечания:

1. Импульс иногда называют количеством движения. Рекомендую освежить в памяти, какие виды импульсов есть в физике и что такое импульс.
2. Формулировку закона сохранения импульса можно упростить:

В замкнутой системе вектор ( vec{p_{text{общ}}})  не меняется.

Математики данный факт запишут таким способом:

[ large boxed{ vec{p_{text{общ}}} = const}]

Дополнительно читайте о том, какие системы можно считать замкнутыми, и какие виды систем в физике есть.

Пояснения к формуле закона сохранения импульса

Пусть, несколько тел двигаются в замкнутой системе.

В начальный момент времени сложим векторы ( vec{p} ) импульсов всех тел, входящих в систему.

В результате получим новый вектор, обозначим его ( vec{p_{text{общ}}} ). Этот вектор – импульс всей системы, как единого целого.

Время идет. Тела продолжают двигаться и соударяться. При ударах их импульсы будут меняться (и по направлению, и по модулю).

После каждого удара будем с помощью геометрии складывать новые импульсы тел.

При этом выяснится следующее: складывая новые импульсы тел, мы будем получать все тот же вектор ( vec{p_{text{общ}}} ), который был получен нами в начале.

Импульс сохраняется, на примере бильярдных шаров

Предположим, мы склонились над гладким бильярдным столом и смотрим на него сверху. Рассмотрим три бильярдных шара на столе (рис. 1). Массы шаров одинаковые.

( m_{1} = m_{2} = m_{3})

Шары под номерами 2 и 3 покоятся. Значит, их начальные скорости и импульсы равны нулю.

Шар №2: ( vec{v_{2text{до}}} = 0),  импульс ( vec{p_{2text{до}}} = 0)

Для третьего шара ( vec{v_{3text{до}}} = 0) и ( vec{p_{3text{до}}} = 0)

Еще один шар движется со скоростью ( vec{v_{1text{до}}} ) по направлению к шарам 2 и 3.

Его вектор импульса обозначен ( vec{p_{1text{до}}} ) на рисунке.

Сложим импульсы всех шаров, чтобы найти общий вектор импульса системы

[ vec{p_{1}} + vec{p_{2}} + vec{p_{3}} ]

[ vec{p_{1}} + 0 + 0 = vec{p_{1}} ]

То есть, импульс первого шара равен импульсу всех шаров системы (рис. 2) до удара

[ vec{p_{1}} = vec{p_{text{общ.до}}} ]

Во время удара шар 1 подействовал на шары 2 и 3 силой и передал им импульс.

После удара шар под номером 1 остановился, а шары 2 и 3 пришли в движение.

Примечание: в бильярде иногда бывает такое, шар передает свой импульс полностью шару, о который он ударяется.

Направления, в которых двигаются шары 2 и 3, указаны векторами их импульсов ( vec{p_{2text{после}}} ) и ( vec{p_{3text{после}}} ) на рисунке 3.

Рассмотрим векторы импульсов шаров 2 и 3 подробнее. Совместим их начала и дорисуем параллелограмм (рис. 4), чтобы сложить импульсы ( vec{p_{2text{после}}} ) и ( vec{p_{3text{после}}} ).

В результате сложения получим вектор, обозначенный на рисунке 5 красной стрелкой и символом ( vec{p_{text{общ.после}}} )

Сравним векторы ( vec{p_{text{общ.до}}} ) и ( vec{p_{text{общ.после}}} ). Как видно из рисунка 6, у векторов совпадают длины и направления. Если у векторов совпадают обе характеристики, то векторы равны. О равенстве векторов подробно написано тут.

Запишем математически равенство векторов:

[ vec{p_{text{общ.до}}} = vec{p_{text{общ.после}}} ].

Общий импульс системы до удара = общему импульсу системы после удара.

Это выражение и есть закон сохранения импульса.

Далее, советую почитать о способе решения задач, связанных с только что изученной темой. Переходите по ссылке, чтобы правильно составить формулу закона сохранения для двух случаев —  абсолютно упругий и абсолютно неупругий удар (откроется в новой вкладке).

Импульс тела. Закон сохранения импульса

1. Опыты и наблюдения свидетельствуют о том, что результат действия силы (взаимодействия) зависит от времени её действия. Так, если к штативу на нити подвесить
тяжёлую гирю, к которой привязана ещё одна нить снизу, и резко дернуть нижнюю нить, то она оборвётся, а верхняя нить останется целой. Если же теперь медленно потянуть
нижнюю нить, то оборвётся верхняя нить. Поэтому для характеристики действия силы вводят величину, называемую импульсом силы.

Импульсом силы называют векторную величину, равную произведению силы и времени её действия ​( (vec{F}t) )​. Импульс силы является мерой действия силы за некоторый промежуток времени.

Единица импульса силы ​( [,Fcdot t,] )​ = 1 Н · с.

2. С другой стороны, результат действия силы зависит и от характеристик тела, на которое эта сила действует.

Зависимость результата действия силы от массы тела можно проиллюстрировать с помощью следующего простого примера. Летящий с некоторой скоростью футбольный мяч, ударяясь о пустую картонную коробку, сдвинет её с места, а, ударяясь о такую же коробку, заполненную металлическими предметами, скорее всего, отскочит от неё, а коробка при этом останется неподвижной.

Пуля, летящая со скоростью 2 м/с, при попадании в деревянную стенку в лучшем случае оставит на ней вмятину, а пуля, летящая со скоростью 200 м/с, стенку пробьёт. Таким образом, результат действия силы зависит от массы и скорости взаимодействующих тел.

3. Величину, равную произведению массы тела и его скорости, называют импульсом тела, ​( vec{p}=mvec{v} )​ — импульс тела (или просто импульс). Единица импульса ​( [,p,] )​ = 1 кг · м/с².

Импульс — величина векторная, поскольку масса — величина скалярная, а скорость — векторная.

Импульс — величина относительная, его значение зависит от выбора системы отсчёта, поскольку относительной величиной является скорость.

4. Импульс силы и изменение импульса тела связаны между собой.

Запишем второй закон Ньютона: ​( vec{F}=mvec{a} )​.

Подставим в формулу выражение для ускорения ​( vec{a}=frac{vec{v}-vec{v}_0}{t} )​, ( vec{F}=frac{m(vec{v}-vec{v}_0)}{t} )​ или ( vec{F}t=mvec{v}-mvec{v}_0 )​.

В левой части равенства стоит импульс силы; в правой части — разность конечного и начального импульсов тела, т.е. изменение импульса тела. ​( vec{F}t=Delta(mvec{v}) )​.

Таким образом, импульс силы равен изменению импульса тела.

Это иная формулировка второго закона Ньютона. Именно в таком виде сформулировал свой закон Ньютон.

5. Взаимодействующие между собой тела образуют систему тел. Между телами системы действуют силы взаимодействия: на одно тело — сила ​( vec{F}_1 )​, на другое тело — сила ( vec{F}_2 ). При этом сила равна силе и направлена противоположно ей: ​( vec{F}_1=-vec{F}_2 )​ (рис. 41).

Силы, с которыми тела системы взаимодействуют между собой, называют внутренними силами.

Помимо внутренних сил, на тела системы действуют внешние силы. Так взаимодействующие тела притягиваются к Земле. Сила тяготения является в данном случае внешней силой. Если тела движутся, то на них действует сила сопротивления воздуха, сила трения. Они тоже являются внешними силами по отношению к системе, которая в данном случае состоит из двух тел. Ни Земля, ни воздух в эту систему тел не входят.

Внешними силами называются силы, которые действуют на тела системы со стороны других тел.

Будем рассматривать такую систему тел, на которую не действуют внешние силы.

Замкнутой системой тел называют систему тел, взаимодействующих между собой и не взаимодействующих с другими телами. В замкнутой системе действуют только внутренние силы, внешние силы на неё не действуют.

6. Рассмотрим взаимодействие двух тел, составляющих замкнутую систему. Масса первого тела ​( m_1 ),​ его скорость до взаимодействия ​( vec{v}_{01} )​, после взаимодействия ( vec{v}_{1} ). Масса второго тела ( m_1 ), его скорость до взаимодействия ( vec{v}_{02} ), после взаимодействия ( vec{v}_{2} ). Для этих тел справедливо равенство:

[ m_1vec{v}_{01}+m_1vec{v}_{02}=m_1vec{v}_{1}+m_1vec{v}_{2} ]

В левой части равенства стоит сумма импульсов тел до взаимодействия, в правой части — сумма импульсов тел после взаимодействия. Как видно, импульс каждого тела при взаимодействии изменился, а сумма импульсов осталась неизменной.

Геометрическая сумма импульсов тел, входящих в замкнутую систему, остаётся постоянной при любых взаимодействиях тел этой системы между собой.

В этом состоит закон сохранения импульса.

7. Замкнутая система — это идеализация. В реальном мире нет таких систем, на которые не действовали бы внешние силы. Однако в ряде случаев реальные системы взаимодействующих тел можно рассматривать как замкнутые. Это возможно, когда внутренние силы много больше внешних сил, или когда время взаимодействия мало, или когда внешние силы уравновешивают друг друга. Кроме того, в ряде случаев равна нулю проекция внешних сил на какое-либо направление. В этом случае закон сохранения импульса выполняется для проекций импульсов взаимодействующих тел на это направление.

ПРИМЕРЫ ЗАДАНИЙ

Часть 1

1. Тело двигалось под действием силы 10 Н в течение 5 с. Чему равно изменение импульса тела?

1) 2 Н/с
2) 5 Н·с
3) 50 Н·с
4) нельзя дать ответ, т.к. неизвестны масса и скорость тела

2. Чему равен импульс автомобиля массой 1,5 т, движущегося со скоростью 20 м/с в системе отсчёта, связанной с автомобилем, движущимся в ту же сторону с той же скоростью?

1) 0
2) 15 000 кг·м/с
3) 30 000 кг·м/с
4) 60 000 кг·м/с

3. Чему равен импульс автомобиля массой 1,5 т, движущегося со скоростью 20 м/с в системе отсчёта, связанной с автомобилем, движущимся с той же скоростью, но в противоположную сторону?

1) 0
2) 15 000 кг·м/с
3) 30 000 кг·м/с
4) 60 000 кг·м/с

4. На графике показаны изменения скорости велосипедиста с течением времени. Чему равно изменение импульса велосипедиста через 4 с после начала движения, если его масса 50 кг?

1) 200 кг·м/с
2) 2500 кг·м/с
3) 2000 кг·м/с
4) 2500 кг·м/с

5. Тело движется в положительном направлении оси ​( Ox )​. На рисунке представлен график зависимости от времени ​( t )​ проекции силы ​( F_x )​, действующей на тело. В интервале времени от 0 до 5 с проекция импульса тела на ось ​( Ox )​

1) уменьшается на 5 кг·м/с
2) не изменяется
3) увеличивается на 10 кг·м/с
4) увеличивается на 5 кг·м/с

6. Два шара массой ​( m_1 )​ и ​( m_2 )​ движутся в одном направлении со скоростями соответственно ​( x_1 )​ и ( x_2 ) по гладкому горизонтальному столу (см. рисунок). Полный импульс ​( p )​ системы шаров равен по модулю

1) ​( p=m_2x_2-m_1x_1 )​ и направлен налево ←
2) ( p=m_1x_1-m_2x_2 ) и направлен вправо →
3) ( p=m_1x_1+m_2x_2 ) и направлен налево ←
4) ( p=m_1x_1-m_2x_2 ) и направлен вправо →

7. Два шарика массой 50 г и 100 г движутся со скоростью 0,6 м/с и 0,4 м/с соответственно. Направления движения шариков составляют угол 90°. Модуль суммарного импульса шариков равен

1) 0,15 кг·м/с
2) 0,07 кг·м/с
3) 0,05 кг·м/с
4) 0,01 кг·м/с

8. Снаряд, импульс которого ​( vec{p} )​ был направлен вертикально вверх, разорвался на два осколка. Импульс одного осколка ( vec{p}_1 ) в момент взрыва был направлен горизонтально (рис. 1). Какое направление имел импульс ( vec{p}_2 ) второго осколка (рис. 2)?

1) 1
2) 2
3) 3
4) 4

9. Масса мальчика в 3 раза меньше массы лодки. В момент прыжка с неподвижной лодки скорость мальчика равна 1,5 м/с. При этом лодка приобретает скорость, равную

1) 4,5 м/с
2) 2 м/с
3) 0,5 м/с
4) 0 м/с

10. Закон сохранения импульса справедлив:

А. Для замкнутой системы тел
Б. Для любой системы тел.

Правильный ответ

1) только А
2) только Б
3) и А, и Б
4) ни А, ни Б

11. Установите соответствие между физическими величинами (в левом столбце таблицы) и их единицами (в правом столбце таблицы). В ответе запишите выбранные цифры под соответствующими буквами

ВЕЛИЧИНА
A. Импульс
Б. Скорость
B. Ускорение

ЕДИНИЦА
1) метр/секунда (1 м/с)
2) ньютон (1 Н)
3) метр/секунда² (1 м/с²)
4) джоуль (1 Дж)
5) ньютон·секунда (1 Н·с)

12. Из приведённого перечня выберите 2 правильных утверждения и запишите их номера в таблицу.

1) Закон сохранения импульса справедлив для любой системы тел.
2) Импульс тела — величина скалярная.
3) Закон сохранения импульса справедлив для замкнутой системы тел.
4) Изменение импульса тела равно импульсу силы.
5) Закон сохранения импульса не применим к незамкнутой системе тел ни при каких условиях.

Часть 2

13. Снаряд летит горизонтально и разрывается на два осколка массой 2 кг и 3 кг. С какой скоростью летел снаряд, если первый осколок в результате разрыва приобрёл скорость 50 м/с, второй 40 м/с? Скорости осколков направлены горизонтально в противоположную сторону.

Ответы