利用牛顿第二运动定律,推导出力和加速度之间的关系。一颗质量为10克的子弹以10³米/秒的速度射入沙袋,并嵌入其中5厘米后停止。
(i) 沙子对子弹的阻力
(ii) 子弹停止运动所需的时间。
设一个质量为m的物体以初始速度u开始运动,在时间t内其速度变为v,
则初始动量P₁=mu
最终动量P₂=mv
动量变化=P₂-P₁=mv-mu
动量变化率=动量变化(P₂-P₁)/时间(t)
= (mv-mu)/t
= m(v-u)/t .................. (i)
利用运动方程v=u+at
a=(v-u)/t,将此值代入(i)
动量变化率=ma
根据牛顿第二运动定律,施加的力与动量变化率成正比。
F∝ma
或 F=Kma [K是一个常数,其值为1]
或 F=ma
(i) 这里,子弹的质量m=10克=10/1000千克=10⁻²千克
初速度u=10³米/秒
末速度v=0
位移s=5厘米=5/100米=5×10⁻²米
利用第三个运动方程v²=u²+2as
2as=v²-u²
或 2×a×5×10⁻²=0²-(10³)²
或 a×10⁻¹=0-10⁶=-10⁶
或 a=-10⁶/10⁻¹
或 a=-10⁷米/秒² [-号表示减速]
因此,子弹对沙子的力=ma=10⁻²×(-10⁷)
=-10⁵牛顿
因此,沙子对子弹的阻力=-子弹对沙子的力 [牛顿第三运动定律]
=-(-10⁵牛顿)
=10⁵牛顿
(ii) 设子弹静止所需时间为t
利用第一个运动方程,v=u+at
0=10³+(-10⁷)×t
或 t=-10³/10⁷
或 t=10⁻⁴秒
因此,子弹将在10⁻⁴秒后停止。
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