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在动量定理、动能定理、做工问题的讨论中经常出现流体“微元”模型,由于流体的质量是连续不断的,许多同学做起来感到困惑,实际上只要抓住以下两点,这类疑难问题就能迎刃而解。
1. 建立一种模型——柱体模型
对于流体问题,可沿流速v的方向选取一段柱形流体,设在 Δt时间内通过某一横截面S的流体长度为Δl,如图(1)所示,若流体的密度为ρ,那么,在这段时间内流过该截面的流体的质量为Δm=ρSΔl=ρSvΔt
2. 掌握一种方法——微元法
当所取时间为Δt足够短时,图(1)流体柱长度Δl甚短,相应的质量Δm也很小。显然,选取流体柱的这一微小元段作为研究对象就称微元法。
下面我们通过几个例题来研究这个问题
例1:在采煤方法中,有一种方法是用高压水流将煤层击碎而将煤采下。今有一煤水枪,由枪口射出的高压水流速度为V。设水的密度为ρ,水流垂直射向煤层表面,试求煤层表面可能受到的最大压强。
解析:水撞击煤层后反向溅回,动量变化最大,对煤层表面的压力也最大。设水流(即枪口)截面积为S。煤层对水流的作用力为F。在Δt时间撞击到煤层表面的水的质量为
m=ρSVΔt ①
对这部分水运用动量定理有
Ft=mv-(-mv)②
解①②得F=2ρSV2
由牛顿第三定律知水对煤层的最大压力为F′=F=2ρSV2
所以水对煤层表面的最大压强为
例2:一股射流以10m/s的速度从喷嘴竖直向上喷出,喷嘴的横截面积为0.5平方厘米,有一个质量是0.32kg的小球,因水对其下侧的冲力而悬在空中,若水全部撞击小球且冲击球后速度变为零,则小球在离喷嘴多高处?
解:选择冲击球的一小段水柱Δm为研究对象,
冲击过程中其受力为:重力Δmg和球对它的压力FN,
由于小球静止,水对球的冲击力大小为mg。
所以FN=mg。
设冲击时间为Δt,该时间极短,Δmg和mg相比可以忽略,
在Δt时间内,设初速为v,末速度为0,
Δt时间内冲击球的那部分水的质量就等于Δt时间内从喷嘴喷出的水的质量Δm=ρSv0Δt。
取竖直向上为正,由动量定理得,-mgΔt=Δm×0-Δmv
代入数据,
解得,
v=6.4m/s
由vt2-v02=2as,
得h=2.952m
例3:在水平地面上放置一个氧气瓶,设瓶内高压氧气的密度为ρ,瓶口甚小,其横截面积为S。若打开阀门,当喷出氧气的速率为v时,求地面对氧气瓶的静摩擦力大小(在此过程中,瓶内氧气密度的变化忽略不计,且设氧气瓶保持静止状态)。
解析:选取极短时间Δt内喷出的相应速率为v的一小段氧气柱为研究对象,其微元的质量Δm,受到的冲力为F,由动量定理有:
FΔt=Δmv,而Δm=ρSvΔt代入得F=ρSv2。
根据牛顿第三定律,氧气瓶所受气体的反作用力与气体的冲力大小相等,又因氧气瓶保持静止,由平衡条件得静摩擦力大小为f=F=ρSv2。
解这类问题一般运用动量定理,即流体微元所受的合外力的冲量等于微元动量的增量,即F合Δt=Δp。
1. 建立一种模型——柱体模型
对于流体问题,可沿流速v的方向选取一段柱形流体,设在 Δt时间内通过某一横截面S的流体长度为Δl,如图(1)所示,若流体的密度为ρ,那么,在这段时间内流过该截面的流体的质量为Δm=ρSΔl=ρSvΔt
2. 掌握一种方法——微元法
当所取时间为Δt足够短时,图(1)流体柱长度Δl甚短,相应的质量Δm也很小。显然,选取流体柱的这一微小元段作为研究对象就称微元法。
下面我们通过几个例题来研究这个问题
例1:在采煤方法中,有一种方法是用高压水流将煤层击碎而将煤采下。今有一煤水枪,由枪口射出的高压水流速度为V。设水的密度为ρ,水流垂直射向煤层表面,试求煤层表面可能受到的最大压强。
解析:水撞击煤层后反向溅回,动量变化最大,对煤层表面的压力也最大。设水流(即枪口)截面积为S。煤层对水流的作用力为F。在Δt时间撞击到煤层表面的水的质量为
m=ρSVΔt ①
对这部分水运用动量定理有
Ft=mv-(-mv)②
解①②得F=2ρSV2
由牛顿第三定律知水对煤层的最大压力为F′=F=2ρSV2
所以水对煤层表面的最大压强为
例2:一股射流以10m/s的速度从喷嘴竖直向上喷出,喷嘴的横截面积为0.5平方厘米,有一个质量是0.32kg的小球,因水对其下侧的冲力而悬在空中,若水全部撞击小球且冲击球后速度变为零,则小球在离喷嘴多高处?
解:选择冲击球的一小段水柱Δm为研究对象,
冲击过程中其受力为:重力Δmg和球对它的压力FN,
由于小球静止,水对球的冲击力大小为mg。
所以FN=mg。
设冲击时间为Δt,该时间极短,Δmg和mg相比可以忽略,
在Δt时间内,设初速为v,末速度为0,
Δt时间内冲击球的那部分水的质量就等于Δt时间内从喷嘴喷出的水的质量Δm=ρSv0Δt。
取竖直向上为正,由动量定理得,-mgΔt=Δm×0-Δmv
代入数据,
解得,
v=6.4m/s
由vt2-v02=2as,
得h=2.952m
例3:在水平地面上放置一个氧气瓶,设瓶内高压氧气的密度为ρ,瓶口甚小,其横截面积为S。若打开阀门,当喷出氧气的速率为v时,求地面对氧气瓶的静摩擦力大小(在此过程中,瓶内氧气密度的变化忽略不计,且设氧气瓶保持静止状态)。
解析:选取极短时间Δt内喷出的相应速率为v的一小段氧气柱为研究对象,其微元的质量Δm,受到的冲力为F,由动量定理有:
FΔt=Δmv,而Δm=ρSvΔt代入得F=ρSv2。
根据牛顿第三定律,氧气瓶所受气体的反作用力与气体的冲力大小相等,又因氧气瓶保持静止,由平衡条件得静摩擦力大小为f=F=ρSv2。
解这类问题一般运用动量定理,即流体微元所受的合外力的冲量等于微元动量的增量,即F合Δt=Δp。