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高考中连续流体问题——动量定理的应用技巧(二)

高考中连续流体问题——动量定理的应用技巧(二)

在某一段时间内,全国各地高考中开始流行连续流体问题的考察,由于电流微观表达式的思想,所以这一考察看似很难,实则也不是无迹可寻。万变不离其宗,解决这类问题就是用“微元”法。

连续流体问题的微元法步骤:取一小段流体(一般为圆柱体)作为研究对象,速度为v,截面积为S,则在极短时间Δt内,体积:ΔV=SvΔt,质量:Δm=ρΔV=ρSvΔt,动量变化:Δp=vΔm=ρv²SΔt,动量定理:FΔt=Δp。这个方法的实质是微元的速度是“不变的”。这是和电流微观表达式最大的区别。

以某年全国高考题为例说明。

某游乐园入口旁有一喷泉,喷出的水柱将一质量为M的卡通玩具稳定地悬停在空中.为计算方便起见,假设水柱从横截面积为S的喷口持续以速度v0竖直向上喷出;玩具底部为平板(面积略大于S);水柱冲击到玩具底板后,在竖直方向水的速度变为零,在水平方向朝四周均匀散开.忽略空气阻力.已知水的密度为ρ,重力加速度大小为g.求:

(1)喷泉单位时间内喷出的水的质量;

(2)玩具在空中悬停时,其底面相对于喷口的高度

解析:题目读罢,我想我们唯一能立马想到的是因为卡通玩具悬停,所以Mg=F,其中F为水的支持力。水的支持力来自哪里?这是第一个难点。题目中说水柱冲击到玩具底板后,在竖直方向水的速度变为零,这句话是不是就可以给我们启示。学习冲量的时候,学习动量定理的时候,老师是不是都在强调速度的改变就可以产生冲击力啊?沿着这个思路,我们用微元法来看。注意,所谓的微元一定要从产生它的初始位置开始。此时,我们眼里就只有一个微元,其他的就不存在了。

取刚开始的一小段流体作为研究对象,速度为v0,截面积为S,则在极短时间Δt内,喷出的水的体积:ΔV=Sv0Δt,质量:Δm=ρΔV=ρSv0Δt。显然喷泉单位时间内喷出的水的质量=Δm/Δt=ρSv0。

设题目二中的高度为h,则由基本的运动学公式可知,微元到达这个高度时的速度v′=根号下(v0²+2gh)。碰撞后它的竖直速度为零,则在竖直方向动量定理FΔt=Δp=(v′-0)Δm=v′ρSv0Δt,所以F=v′ρSv0=Mg。高度就很容易就求出来了。

思考题

一艘帆船在静水中由于风力的推动做匀速直线运动,帆面的面积为S,风速为V1,船速为V2(V2<V1),空气密度为ρ,帆船在匀速前进时帆面受到的平均风力为多少?提示风的末速度可不是零啊[捂脸]

说白了,这类问题就是按照步骤进行就可以解决。

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