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牛顿力学

动量

动量 p=mv 是描述平动的矢量,其变化与冲量有关。

动量结合质量和速度并保留运动方向。缓慢的卡车也可能比快速自行车更难停下。

p⃗=mv⃗,J⃗=∫titfF⃗netdt=Δp⃗\vec p=m\vec v, \qquad \vec J=\int_{t_i}^{t_f}\vec F_{net}dt=\Delta\vec p

定义: 动量与冲量

牛顿力学中质量不变,p⃗\vec p 的单位为kg·m/s。合力冲量等于动量变化;恒力时 J⃗=F⃗netΔt\vec J=\vec F_{net}\Delta t。

改变质量、速度、力和时间,观察动量与冲量的关系。

冲量与动量

由 p⃗=mv⃗\vec p=m\vec v,速度反向会使动量反向。牛顿第二定律一般式为 F⃗net=dp⃗/dt\vec F_{net}=d\vec p/dt;ma⃗m\vec a 假设质量不变。

例题: 汽车制动

一辆1000 kg汽车从20 m/s减速至15 m/s。求Δp\Delta p。

解答

取初始方向为正,Δp=m(vf−vi)=1000(15−20)=−5000\Delta p=m(v_f-v_i)=1000(15-20)=-5000 kg·m/s;负号表示方向相反。

快速检测

力随时间变化时,除非力恒定,否则不能把某一瞬时值乘以整个时间间隔。冲量是力—时间图像下的带符号面积;一维情况下平均力为 Favg=Deltap/DeltatF_{avg}=Delta p/Delta t。安全气囊延长停车时间,因此相同动量变化对应较小的乘员平均受力。

一种实用方法是将动量分解为分量:px=mvxp_x=mv_x、py=mvyp_y=mv_y。两个运动方向垂直时,不能直接相加动量大小;应先分别相加分量,再用勾股定理求大小。例如总分量为6和8 kg·m/s时,合动量大小为10 kg·m/s。SI单位中 11 N·s=11 kg·m/s,可用于检查冲量定理的量纲。

物体在有限时间内的动量变化由该时间内累积的合外力冲量决定。矢量分量中的负号表示方向相反,并非大小为负。为避免歧义,应说明参考系和坐标正方向。最后还要检查各分量的单位与方向。

质量2 kg物体以3 m/s向东运动,动量是多少?

动量变化等于什么量?

参考文献

  1. Young, Freedman (2019). University Physics