题目
质量为m的质点在Oxy平面内运动,运动学方程为r=acosωti+bsinωtj,求:(1)质点在任一时刻的动量;(2)从t=0到t=2π/ω的时间内质点受到的冲量。
质量为m的质点在Oxy平面内运动,运动学方程为r=acosωti+bsinωtj,求:(1)质点在任一时刻的动量;(2)从t=0到t=2π/ω的时间内质点受到的冲量。
题目解答
答案
(1)根据动量的定义:P=mv=m(-ωasinωti+ωbcosωtj)(2)从t=0到t=2p/w的时间内质点受到的冲量等于它在这段时间内动量的变化,因为动量没变,所以冲量为零。
解析
本题主要考查动量和冲量的计算,解题的关键在于理解动量和冲量的定义,并结合运动学方程求出速度,进而计算动量和冲量。
(1)求质点在任一时刻的动量
- 步骤一:根据运动学方程求速度
已知质点的运动学方程为$\vec{r}=a\cos\omega t\vec{i}+b\sin\omega t\vec{j}$,速度是位移对时间的导数,根据求导公式$(\cos x)^\prime=-\sin x$,$(\sin x)^\prime=\cos x$,对$\vec{r}$求导可得速度$\vec{v}$:
$\vec{v}=\frac{d\vec{r}}{dt}=\frac{d}{dt}(a\cos\omega t\vec{i}+b\sin\omega t\vec{j})$
$=\frac{d(a\cos\omega t)}{dt}\vec{i}+\frac{d(b\sin\omega t)}{dt}\vec{j}$
$=-a\omega\sin\omega t\vec{i}+b\omega\cos\omega t\vec{j}$ - 步骤二:根据动量定义求动量
动量的定义为$\vec{P}=m\vec{v}$,将$\vec{v}=-a\omega\sin\omega t\vec{i}+b\omega\cos\omega t\vec{j}$代入可得:
$\vec{P}=m(-a\omega\sin\omega t\vec{i}+b\omega\cos\omega t\vec{j})$
(2)求从$t = 0$到$t = \frac{2\pi}{\omega}$的时间内质点受到的冲量
- 步骤一:明确冲量与动量变化的关系
根据动量定理,质点受到的冲量$\vec{I}$等于它在这段时间内动量的变化$\Delta\vec{P}$,即$\vec{I}=\Delta\vec{P}=\vec{P}_{2}-\vec{P}_{1}$,其中$\vec{P}_{1}$是$t = 0$时刻的动量,$\vec{P}_{2}$是$t = \frac{2\pi}{\omega}$时刻的动量。 - 步骤二:分别计算$t = 0$和$t = \frac{2\pi}{\omega}$时刻的动量
- 当$t = 0$时,$\vec{P}_{1}=m(-a\omega\sin(0)\vec{i}+b\omega\cos(0)\vec{j})=mb\omega\vec{j}$。
- 当$t = \frac{2\pi}{\omega}$时,$\vec{P}_{2}=m(-a\omega\sin(2\pi)\vec{i}+b\omega\cos(2\pi)\vec{j})=mb\omega\vec{j}$。
- 步骤三:计算动量变化和冲量
$\Delta\vec{P}=\vec{P}_{2}-\vec{P}_{1}=mb\omega\vec{j}-mb\omega\vec{j}=0$
所以冲量$\vec{I}=\Delta\vec{P}=0$。