5.講授係統
動量這一章涉及的是它的經典物理內容,多年來無論是教材內容的編排還是授課程序,已形成它的基本係統:從力對時間積累效應出發,引出衝量概念,討論質點受外力作用一段時間後,其動量變化與合外力衝量的關係,得出衝量定理(動量定理)。然後討論當合外力為零時,質點或質點組係統的動量變化所遵循的動量守恒定律。結合這些定理定律的應用,研究碰撞問題和火箭飛行的基本原理。最後,作為某些專業的需要,結合質點係概念講述質心和質心運動定律。
二、教法建議
1.學生問題
(1)衝量、動量的矢量性掌握不好;
(2)對“衝力”概念認識不清,誤以為它是獨立於重力、彈力、摩擦力之外的又一個力,而不認為是合外力;
(3)對動量定理和動量守恒定律的使用條件和方法掌握不好。個別學生會提出:動量守恒的條件為什麼不是衝量為零?
(4)認為動量守恒定律是在外力為零條件下的動量定理盼一個特殊,而不認為它是具有普遍意義的自然規律;
(5)運用動量的有關規律,結合牛頓運動定律、功和能的有關規律,解決綜合性力學問題時不能正確分析物理過程,使用條件及運用規律。
2.教法探討
(1)本章知識結構一般分為三個單元:一是衝量、動量的概念;二是動量定理、動量守恒定律;三是動量定理和動量守恒定律在碰撞及科技等問題中的應用。定律及其應用是本章的教學重點,應予以突出。
(2)衝量和動量概念的引入,多數教材是從牛頓第二、第三定律推導得出,直接簡便,並有利於認識衝量是力對時間的積累效應、衝量的作用要引起動量的變化等物理意義。但要注意避免使學生產生動量守動定律是牛頓運動定律的推論的誤解。要使學生明確,動量守恒定律是以實驗為基礎的,是一個獨立的物理規律,是早於牛頓運動定律之前就為人們認識到的。
(3)動量的瞬時性、相對性、矢量性以及動量變化量的矢量性等內容,是引出動量守性定律的知識基獨,要重視這些概念的教學。要給合具體例題引導學生進行分析,認識物理規律,培養分析問題的能力。
要特別重視運用動量守恒定律的適用條件,使學生了解在實際問題中當內力遠遠大於外力作用時,就可忽略外力,而運用動量守恒定律解決問題。
重點應放在對質點的動量定理和兩個質點組成的質點係的動量守恒定律的教學上。
(4)中學物理知識為學生提供了動能與動量之間主要區別的認識基礎。可以適當引導學生作深層次上的認識:動能的改變是外力對空間的積累效應,以外力功為量度;動量的改變是外力對時間的積累效應,以外力衝量為量度。力作功必有衝量,而力具有衝量但不一定作功;因此,質點在力的作用下動量改變,但其動能可能守恒;而質點在力的作用下動能改變了,其動量一定改變。
(5)例題的分析和演算要密切結合應用動量定理和動量守恒定律解決力學問題的基本思路、基本方法進行。使學生看得見,學得著。另外,在學習了力的瞬時作用規律和力的持續作用規律後,要逐步引導學生對綜合性力學問題的解決能力,關鍵是.培養學生對所求問題的物理過程的分析能力,即對各個過程中的力學規律、特點及適用條件的認識判斷能力。
在第三章的《參閱內容》中,討論了地球靜止衛星的發射問題。這裏,作一進步討論:如果火箭發射基地正好在赤道線上,能否用一枚火箭逐級燃燒,鉛直上升,直達35800km的赤道上空,直接進入大的圓形同步軌道呢?回答是否定的。
首先,衛星進入約300km高的停泊軌道,再通過轉移軌道使衛星上升高達35800km的高空,可以大大節約節能量。因為采取這樣的發射步驟,能量主要消耗在衛星從地麵迸入停泊軌道和在近地點A加速這一過程中。在這之後,衛星受地球引力作用靠其自身的慣性,從A點上升到35800km高的B點。在這一長距離的運行過程中,無發動機工作,不消耗能量,所以這是理想的發射方案。
其次,如果讓火箭從地麵鉛直上升到35800km高空,火箭的級數將大大增加,這會給火箭製造技術帶來很多困難。實際上,火箭級數一般不超過四級,通過簡單計算就能說明這一問題。設用一枚三級運載火箭發射衛星,為整個運載火箭質量(包括外殼、燃料及衛星質量),依次為第一、二、三級火箭質量。
火箭的飛行速度此式一般教材中均有推導,其值就越小,若級數大到使第二項趨於零時,第一級火箭在發射台上將燃料全部燒完時,還沒有發射出去。火箭級數越多,其質量比越小,逐漸遞減而趨於1。運載火箭的級數隻能是三級或四級。如果級數高於四級以上再繼續增加級數,對於減少火箭總質量的收效不大,而且級數多了,在製造火箭技術上也會遇到很多困難。