引入

为什么台球碰撞后能算出各自的速度?

为什么火箭在真空中也能加速?

为什么动量守恒在宏观和微观、低速和高速都成立?

力描述“怎么变”,动量描述“变多少”。动量把力和时间的效果打包成一个守恒量,让碰撞、爆炸、反冲这类“过程极短、力极复杂”的问题变得可算。

正文

定义

动量是物体质量与速度的乘积,是矢量,描述物体运动状态的“趋势”: 单位 。

动量定理

一般形式:

合外力在一段时间内对质点的冲量,等于质点动量的增量。

推导

由牛顿第二定律的动量形式:

质量不变时也可写成 。

质点系动量定理

定义

质点系在一段时间内的动量变化量,等于系统所受外力冲量之和:

推导

设系统有 个质点,第 个质点的动力学方程为:

对所有质点求和:

内力总是成对出现、大小相等方向相反(牛顿第三定律),相互抵消:

因此只剩外力项。这个推导说明:内力再复杂,也不改变系统总动量。

动量守恒定律

定义

若质点系所受合外力为零,则系统总动量保持不变:

推论:若合外力不为零,但在某一方向上合力为零,则系统在该方向上动量守恒。

情形守恒情况
合外力为零总动量守恒
某方向合外力为零该方向分量守恒
内力远大于外力(碰撞、爆炸)近似守恒

第三种情形是碰撞问题能用动量守恒的原因。碰撞瞬间内力极大,重力、摩擦力等外力冲量可以忽略。

适用范围的特别说明

动量守恒的适用范围比机械能守恒更广:

领域是否适用
宏观低速适用
微观粒子适用
相对论高速适用(需用相对论动量)
有耗散力仍适用(只要外力冲量可忽略)

这是动量守恒比能量守恒更“好用”的地方——它不关心能量转化为内能。

常见应用

场景原理
碰撞碰撞瞬间内力远大于外力,动量守恒
爆炸爆炸前动量为零,爆炸后各部分动量矢量和为零
反冲火箭喷出气体获得反向动量
人船模型人与船组成的系统水平方向无外力,质心不动

引出

动量守恒与能量守恒同时使用时,如何确定碰撞属于哪一类?

为什么碰撞问题中动量守恒总是成立,而机械能守恒不一定?

反冲运动的能量从哪来?动量守恒和能量守恒是否矛盾?