《動量流的破壞作用》PPT課件

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1、動量流強度和動量流密度及其破壞作用報告人：吳國玢上海理工大學(xué)2021/9/71摘要本報告闡述了德國卡爾斯魯厄物理教程(KPK)中有關(guān)動量流強度和動量流密度的概念，討論了它們對于物體所產(chǎn)生的破壞作用。作者希望以此為例來表明在物理教學(xué)中采用這些KPK概念的有效性和優(yōu)越性。1引言在科學(xué)發(fā)展史上曾多次出現(xiàn)這樣一種情況：由于當(dāng)時科技發(fā)展和人們認(rèn)識水平的限制，一些重要著作和研究成果在剛面世時不被科學(xué)界所接納。多年后，當(dāng)人們普遍開始意識到它們的重要價值時，往往已為時過晚。因為此時要想去改變現(xiàn)狀或進行糾正，已變得相當(dāng)困難,不費很大力氣不下很大工夫就難以糾正過來。物理學(xué)中關(guān)于

2、動量流的概念就是一個突出的例子。由牛頓所構(gòu)建的物理量“力”及其相應(yīng)的名詞術(shù)語相當(dāng)復(fù)雜而且繁瑣。其實，力的本質(zhì)就是動量流的強度。德國著名物理學(xué)家普朗克（MaxPlanck）在他于1908年出版的著作中早就提出過這一觀點，可惜長期以來一直為人們所忽視。在德國卡爾斯魯厄物理教程（KPK）中，動量流強度的概念不僅得到了接納，而且成為其力學(xué)的核心組成部分。發(fā)明專利2動量流強度與力為便于說明問題，下面的討論僅限于物體的一維運動。設(shè)在時間間隔Δt內(nèi)流經(jīng)動量流導(dǎo)體（例如一根拉動小車的繩子）橫截面的動量為Δp=Δ(mv)，那么在單位時間內(nèi)流過該橫截面的動量就定義為動量流強度I

3、pIp=Δp/Δt（1)對于有動量流入的物體而言，如果它的動量在Δt時間內(nèi)的增量為Δp，那么該物體的動量變化率就是Δp/Δt?？梢娚鲜竭€可以用來表示，流入物體的動量流強度等于該物體的動量變化率。動量流強度通?？珊喎Q為動量流。發(fā)明專利由于動量流強度和力（force）所描述的實際上是同一個物理量，所以在KPK力學(xué)中也用符號F來表示動量流強度。這樣，式（1）可改寫為F=Δp/Δt=Δ(mv)/Δt（2)上式的微分形式正是大家所熟悉的牛頓第二定律。在KPK力學(xué)中,動量的概念在先,動量流（力）的概念在后.這樣的次序順理成章，有利于教與學(xué)。此外，用動量流的概念來解釋許多

4、物理現(xiàn)象要比用力的概念勝出一籌。這不僅有利于學(xué)生掌握所學(xué)物理知識本身,而且能幫助他們運用類比的方法去掌握一些其他學(xué)科的知識，做到舉一反三、融會貫通。下面以動量流的“破壞作用”為例加以說明。發(fā)明專利流過物體的動量流（作用于物體的作用力）過大時，物體可能會發(fā)生斷裂或破碎.人們有時希望避免這種現(xiàn)象,有時卻又希望利用這種現(xiàn)象。例如：1.用一根細(xì)繩拉動重物時,得慢慢使勁,不能猛拉；2.接籃球時,手掌得沿著球運動方向順延一小段時間；3.汽車碰撞時,其中的”擠壓區(qū)”會產(chǎn)生一定程度的折疊。上述措施都是試圖增加Δt，以減小動量流強度F。當(dāng)人們有意去破壞某物時,往往通過縮短Δt

5、來增加動量流強度F.如果你想用榔頭砸碎一塊磚,你就必須猛然敲擊，讓動量流在很短的瞬間內(nèi)流入磚塊。此時，任何拖泥帶水（即延長Δt）的動作都不能奏效。發(fā)明專利不難看出，由于時間因素Δt的介入，運用動量流的概念來解釋上述物理現(xiàn)象顯得理由充足、令人信服。教師感到得心應(yīng)手,學(xué)生覺得明白易懂。然而，運用力的概念來進行解釋是無法達到如此效果的。發(fā)明專利3動量流密度與應(yīng)力實際上,為了避免前面例子中的那根細(xì)繩被拉斷,除了延長Δt以外,我們還可以用較粗的繩子來代替細(xì)繩,即增大繩子的橫截面積A。為了深入討論此類問題,有必要引入一個新的物理量：動量流密度。定義:如果在時間間隔Δt內(nèi)

6、流過橫截面積為A的物體的動量為Δp，那么在單位時間內(nèi)流過單位橫截面積的動量就是動量流密度jp,jp=Δp/AΔt=F/A（3)發(fā)明專利容易看出，動量流密度就是流過單位橫截面積的動量流強度。由于動量流密度和應(yīng)力所描述的是同一個物理量，所以我們也可以用應(yīng)力符號σ來表示動量流密度σ=Δp/AΔt=Δ(mv)/AΔt=F/A（4)以前面討論過的繩子為例，流經(jīng)繩子的動量流密度就是繩子內(nèi)的拉伸應(yīng)力。增加面積A,動量流密度σ減小,繩子不易拉斷。坦克車和拖拉機上的履帶能在松軟的土地上行走自如,也是由于其面積大而顯著減小流入地面的動量流密度所致。反之,釘子、刀子、剪子等工具之

7、所以銳利,可以用來破壞物體,是因為它們的尖端或鋒刃橫截面積A很小,致使流入物體的動量流密度σ極大。發(fā)明專利汽車的安全帶和安全氣囊的設(shè)計綜合了對于（4）式分母中時間間隔Δt和截面積A這兩方面因素的考慮。汽車發(fā)生碰撞事故時,它會迅即停住將它的動量傳遞出去。此時的動量流必然很大，容易造成車毀人亡。安全帶和安全氣囊既可以延長Δt,又可以增大面積A,從而大大降低動量流密度,有效地起到了保護人身安全的作用。綜上所述,可見要想判斷動量流對物體的破壞作用，不應(yīng)單純考慮動量流強度（力）的大小,更應(yīng)考慮動量流密度（應(yīng)力）的大小.事實上,物體是否遭到破壞不僅與動量流的大小有關(guān),而

8、且還與物體的組成材料有關(guān)。發(fā)明專利4動量流破壞作用的