【大学物理】chp15-5_原创精品文档.docxVIP

PAGE

1-

【大学物理】chp15-5

15.5动量守恒定律

15.5动量守恒定律是物理学中一个重要的基本定律，它描述了在没有外力作用下，系统的总动量保持不变。在历史上，动量守恒定律的发现对于经典力学的完善起到了关键作用。根据动量守恒定律，对于一个封闭系统，其总动量在任何时刻都是恒定的。这意味着，如果一个系统不受外力作用，那么它的总动量在运动过程中将保持不变。

以碰撞为例，假设两个质量分别为m1和m2的物体发生完全非弹性碰撞，碰撞前两物体的速度分别为v1和v2。根据动量守恒定律，碰撞前后系统的总动量相等，即m1v1+m2v2=(m1+m2)V，其中V为碰撞后两物体的共同速度。通过这个公式，我们可以计算出碰撞后物体的速度。

在实验中，科学家们通过测量碰撞前后物体的速度和质量，验证了动量守恒定律的正确性。例如，在一个著名的实验中，两颗质量分别为0.1kg和0.2kg的钢球以相同的速度相互碰撞。实验结果显示，碰撞前后系统的总动量保持不变，这与动量守恒定律的预测相符。这个实验不仅验证了动量守恒定律，也揭示了动量在碰撞过程中的守恒特性。

动量守恒定律在实际应用中具有广泛的意义。在工程领域，例如汽车碰撞测试中，动量守恒定律被用来预测碰撞过程中的力的大小和方向。此外，在航天领域，动量守恒定律对于卫星发射和轨道调整同样具有重要意义。例如，在地球同步轨道上，卫星通过喷射推进剂来改变轨道，而在这个过程中，动量守恒定律被用来确保卫星的动量得到适当的调整。通过精确控制推进剂的喷射时间和方向，航天工程师能够使卫星进入预定的轨道，实现精确的轨道调整。

15.5.1动量守恒定律的原理

15.5.1动量守恒定律的原理

(1)动量守恒定律是物理学中一个基本且普遍适用的规律，它揭示了自然界中物质运动的一个基本属性。根据这一定律，一个孤立系统的总动量在不受外力作用的情况下，将保持不变。动量的定义是物体的质量与速度的乘积，用符号p表示，即p=mv。这意味着，一个物体的动量变化等于其质量与速度变化量的乘积。

(2)动量守恒定律的数学表达可以写为：如果系统不受外力或外力的合力为零，那么系统的总动量在时间上的导数为零，即Δp=0。这可以进一步推导出系统的总动量在任何时刻都保持恒定。在物理实验中，通过精确测量系统内各物体的动量，并验证这些动量之和是否在碰撞前后保持不变，可以证实动量守恒定律的正确性。

(3)动量守恒定律不仅适用于宏观物体，也适用于微观粒子。在量子力学中，虽然粒子的行为表现出波粒二象性，但动量守恒定律依然成立。在原子和分子尺度上，动量守恒定律同样适用，这对于理解化学反应和物质结构具有重要意义。例如，在化学反应中，反应物和生成物的总动量在反应前后是相等的，这一原理有助于解释化学反应的动态过程。此外，在宇宙学中，星系、星云以及宇宙整体的总动量守恒定律也是理解宇宙演化的重要依据。通过研究宇宙背景辐射和宇宙膨胀的动量变化，科学家们对宇宙的起源和演化有了更深入的认识。

15.5.2动量守恒定律的应用

15.5.2动量守恒定律的应用

(1)在交通工程领域，动量守恒定律对于交通事故的分析和预防具有重要意义。例如，在车辆碰撞测试中，研究人员会利用动量守恒定律来计算碰撞时的冲击力。在一个典型的碰撞实验中，一辆质量为1000kg的汽车以50km/h的速度与一辆质量为1500kg的卡车相撞。根据动量守恒定律，碰撞前后系统的总动量保持不变，通过计算可以得出碰撞后两车的速度，从而评估碰撞的严重程度。

(2)在天体物理学中，动量守恒定律被广泛应用于解释星系和行星的运动。例如，在银河系的旋转曲线研究中，天文学家发现银河系边缘的恒星运动速度与它们距离银河系中心的距离不成正比，这表明银河系的质量分布可能存在暗物质。通过应用动量守恒定律，科学家们可以计算出银河系的总质量，并进一步研究暗物质的分布。

(3)在体育竞技中，动量守恒定律同样发挥着重要作用。在篮球运动中，当一名球员投篮时，篮球和球员的手之间的动量传递遵循动量守恒定律。例如，一个质量为0.7kg的篮球以10m/s的速度被投出，如果球员的手与篮球接触时间为0.05秒，那么球员的手必须给予篮球一个相应的反作用力，以确保动量守恒。这种动量传递是球员投篮成功的关键因素之一。

15.5.3动量守恒定律的实验验证

15.5.3动量守恒定律的实验验证

(1)动量守恒定律的实验验证之一是通过气垫导轨实验完成的。在这个实验中，使用两个滑块在光滑的气垫导轨上运动，通过测量滑块的质量和速度，可以计算出系统的总动量。例如，在一个实验中，滑块A的质量为0.5kg，速度为2m/s，滑块B的质量为1.0kg，速度为0m/s。当滑块A以2m/s的速度撞击静止的滑块B时，两滑块最终以1.0m/s的速度共同运动。通过计算可以验证，碰撞前后的总动量均