Изучение понятия импульса и закона сохранения импульса.

При изучении темы Законы сохранения в механике вводятся понятия, определяющие область применимости ЗС импульса и энергии.

Замкнутая система. Физическая система считается замкнутой, если внешние силы не действуют на эту систему.

Однако, поскольку действие, например, гравитационных сил простирается до бесконечности, то очевидно понятие замкнутая система является абстракцией. Это можно пояснить следующими примерами: система тел спутник, движется вокруг Земли, электрон движется вокруг протона в атоме. В ряде случаев, когда внешней силой можно пренебречь, систему можно считать замкнутой. В замкнутой системе действуют силы, которые называются внутренними.

Консервативные силы – это силы работа которых не зависит от длины пути, а зависит только от положения начальной и конечной точек пути. К консервативным силам можно отнести силу тяжести, силу упругости.

Система тел, в которой действует консервативная сила называется консервативной. Необходимо отметить, что если для применимости закона сохранения импульса достаточно, чтобы система тел была замкнутой, то доя применимости закона сохранения энергии, необходимо еще чтобы внутренние силы, действующие в замкнутой системе были консервативными.

Импульс силы. Импульс тела.

Согласно второму закону Ньютона , откуда (1). Из последнего выражения видно, что изменение скорости одного и того же тела зависит не только от силы, приложенной к телу, но и он времени ее действия. Это может наблюдаться на ряде опытов. При быстром выдергивании листочка бумаги из под стакана с водой, стакан остается на прежнем месте. Если привязать груз на нить и резко дернуть нижнюю нить, оторвется нижняя нить. Если в перечисленных опытах время действия силы увеличить, то даже при существенно меньших действиях силы стакан и груз получат заметные скорости. Таким образом учащиеся подводятся к понятию импульса силы – векторная величина, которая равна произведению силы на время ее действия. Из (1) следует (2), из (2) следует, что существует величина, одинаково изменяющаяся у тел разной массы, если импульс действующих сил одинаков. Эту физическую величину назвали импульсом или количеством движения. .

Затем переходят к закону сохранения импульса . Необходимо отметить, что при выводе формулы ЗС импульса учащимся надо объяснить, что в течение времени взаимодействия (столкновении) тел модули сил с которыми тела взаимодействуют, изменяются, оставаясь все время одинаковыми.

Полученный теоретический вывод иллюстрируется на опытах упругого и неупругого столкновения тел.

Интересен вывод ЗС импульса, основанный на серии опытов, подводящих учащихся к нему: а) при скатывании шара с наклонного желоба импульс приобретаемый в конечной точке прямо пропорционален скорости полета. ; б) при упругом соударении шара с таким же шаром, находящимся на горизонтальной лотке, происходит обмен импульсами (удар центральный); в) при упругом не центральном ударе направление разлета шаров оказывается различным. Измерив расстояния и произведя векторные сложения перемещений, получим ЗС импульса в векторной форме: .

При изучении закона сохранения импульса вводят ряд новых физических понятий. Усвоение некоторых из них очень важно для изучения всего раздела. К числу этих понятий следует отнести такие: механическая система, замкнутая механическая система, внешние силы, внутренние силы, консервативные силы.

Понятие «замкнутая механическая система» является идеализацией. Очень важно поэтому при рассмотрении конкретных задач оговаривать, как движутся тела физической системы и действуют ли на них внешние силы. Если эти силы отсутствуют (т. е. ими можно пренебречь), то нужно применять закон сохранения импульса; если внешние силы действуют, то суммарный им­пульс силы, действующий на систему, равен суммарному из­менению импульса системы.

Для простоты рассуждений рассмотрение закона сохране­ния импульса целесообразно начинать для замкнутой систе­мы, состоящей из двух сталкивающихся тел, массы которых одинаковы, а скорости различны. Выводят этот закон на основе второго и третьего законов дина­мики, что вполне логично.

Доказывают, что изменение импульсов этих двух сталкиваю­щихся тел одинаково по модулю, но противоположно по знаку.

Далее формулируют закон; геометрическая сумма импульсов тел, составляющих замкнутую систему, остается постоянной при любых взаимодействиях тел этой системы между собой.

Проведенный анализ мысленного опыта позволяет сделать вы­вод: если закон сохранения импульса выполняется при движении относительно одной системы отсчета, то он выполняется и отно­сительно любой другой системы отсчета, движущейся относитель­но первой равномерно и прямолинейно, т. е. закон сохранения им­пульса выполняется в любой инерциальной системе отсчета.

Следует также указать, что при релятивистских скоростях сумма релятивистских импульсов, образующих замкнутую систему, также остается постоянной при любых взаимодействиях между телами.

На факультативных и внеклассных занятиях по физике (в ин­дивидуальной работе с учащимися) можно более детально и обос­нованно обсудить указанные проблемы, рассмотрев при этом и такие вопросы, как движение с переменной массой, реактивная сила, более точный расчет максимальной скорости ракеты, о мно­гоступенчатости ракет и др.

Материал этой темы благодатен и для воспитательной работы. Здесь следует остановиться на значении работ К. Э. Циолковского, С. П. Королева и других советских ученых в развитии космонав­тики, на достижениях нашей страны в области освоения космоса.

Эту работу целесообразно проводить как на уроке, так и вне его (специальные стенды, журналы, рассказывающие о достижениях советской космонавтики; подбор литературы для чтения учащими­ся; тематические конференции с докладами и рефератами уча­щихся и т. д.).