动量定理 动量守恒定律

p=mvp=Mvc

牛顿第二定律:

F=d(mv)dt⇒F=mdvdt=ma

恒力的冲量:I=F(t2−t1)。

变力的冲量:I=∫t0tF⋅dt。(是否可行)

因此,质点在运动过程中,所受合外力的冲量等于质点动量的增量。质点动量定理

I=∫0tFdt=p−po=mv−mv0

冲击、碰撞问题中估算 平均冲力。

作用时间短,变化复杂,无法通过力计算冲量。

F―=IΔt=1t−t0∫t0tF⋅dt=p−p0t−t0

适用于 惯性系,在非惯性系中,只有添加惯性力的冲量后才成立。

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∑NΔt=mv1sin⁡θ−∑μNΔt=mv2−mv1cos⁡θ

遇到斜面的问题,还要注意运动方向的改变,如果只用分析水平方向的动量守恒,也要注意水平方向分速度的改变。

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需要注意不要忘了重力。

动量守恒定律

当 ∑Fi=0 时,p=∑mivi=const.

质量为 M 的平板车开始时静止于光滑直轨道上,车上 n 个质量均为 m 的人相对车以速度 u 向后跳离。

  1. 若所有人同时跳离,平板车的最终速度为多少?

    根据动量守恒定律(一开始动量为0,则改变状态后动量为0)

    0=Mv+nm(−u+v)⇒v=nmuM+nm
  2. 若一个一个地跳离,平板车的最终速度又为多少?

    第一个人跳离时,有:

    0=[M+(n−1)m]v1+m(−u+v1)⇒v1=muM+nm

    第二个人跳离时,有:

    [M+(n−1)m]v1=[M+(n−2)m]v2+m(−u+v2)⇒v2−v1=muM+(n−1)m

    第三个人跳离时,有:

    [M+(n−2)m]v2=[M+(n−3)m]v3+m(−u+v3)⇒v3−v2=muM+(n−2)m

    因此

    vn=∑k=1nmM+km>nmM+nm

    启发:求出 vi 不好处理,可以考虑差分的形式,当然也可以归纳得出。

质点系动量

设有 N 个质点构成一个系统,第 i 个质点的质量为 mi,内力 fi,外力 Fi,初速度 vi0,末速度 vi。

由质点动量定理:

∫t0t(Fi+fi)dt=mivi−mivi0

一对内力做功不一定为 0。

其中 ∑fi=0。

因此

∫t0t∑Fidt=p−p0=Δp

微分式:

∑Fi=dpdt

形式上,与单个质点动量定理相同,但内涵有差别。

当 ∑Fi=0,p=∑mivi 为常量。

  1. 动量守恒是指系统动量总和不变,但系统内各个质点的动量可以变化, 通过内力进行传递和交换。

  2. 当外力作用远小于内力作用时,可近似认为系统的总动量守恒。(如:碰撞、打击等)

质量分别为 m1 和 m2 的小孩在光滑的平面上彼此拉对方。设开始时静止,相距 l。问他们在何处相遇?

m1v1+m2v2=0

不能写作 m1v1=m2v2。

在任意时刻

x1=x10+∫0tv1dtx2=x20+∫0tv2dtx20−x10=∫0t(1+m1m2)v1dtl=∫0t(1+m1m2)v1dtx=x1=x10+∫0tv1dt=m1x10+m2x20m1+m2

以质量为权重的位置。


炮车的质量为 M,炮弹的质量为 m。若炮车与地面之间有摩擦,摩擦系数为 μ,炮弹相对炮身的速度为 u,求炮身相对地面的反冲速度 v。

对系统分析

在 τ 的时间内,

∫0τ∑Fidt=∫0τ(Mg+mg+N+f)dt=Δp=Mv+m(v+u)−0

分别对 x,y 方向分析。注意 ∫|f|=μ∫|N|。

则可以得到

∫0τfdt=−Mv+m(−v+ucos⁡θ)∫0τ(N−Mg−mg)dt=musin⁡θ⇔∫0τNdt=musin⁡θ

注意到 (Mg+mg)τ 为小量(相对于等号右边的 musin⁡θ),因此可以略去。

得到

v=mu(cos⁡θ−μsin⁡θ)M+m

如果没有摩擦,相当于水平方向动量守恒。

如果水平发射炮弹,相当于碰撞的逆过程。

如果 cot⁡θ=μ 或者 cot⁡θ<μ,炮车会发生自锁现象,不会移动,当然不会速度反向…

质心 质心运动定理

质心

考虑两个质点组成的孤立体系。

P=m1v1+m2v2=m1dr1dt+m2dr2dt=ddt(m1r1+m2r2)=(m1+m2)ddt(m1r1+m2r2m1+m2)=Const

定义:

rc:=m1r1+m2r2m1+m2vc:=drcdtM:=m1+m2

则

P=Mvc

推广到 n 个粒子系统。

rc:=∑imiri∑imi⏟M

对于连续分布的物体:

rc=limmax{Δmi}→0∑i=1NΔmirilimmax{Δmi}→0∑i=1NΔmi=∭τrdm∭τdm

其中

dm=ρdV=σdS=λdl

质心运动定理

质心运动定理:质心的运动等同于一个质点的运动,这个质点具有质点系的总质量,它受到的外力为质点系所受的所有外力的矢量和。

Mvc=∑imivi

所有的参考系都成立。参考系存在质心上。

rc≡0⇒vc=0⇒∑imivi=0
ac=dvcdt=ddt(∑imivi/M)=∑iFi/M
F=Mac

只描述平动。

适用于 惯性系。

若 ac=0,则质心系为惯性系。

若 ac≠0,质心系为非惯性系。

动量守恒、功能原理、角动量定理在质心系成立。质点系相对惯性系的运动可以分解为:随质心的运动+相对质心的运动。

vi=vc+vi′
∑i12mivi2=12Mvc2+∑ivc⋅mivi′⏟=0+∑i12mivi′2⏟资用能

只有在质心系中成立。

(∑imivi′M)⋅vcM

代表在质心系中质心的速度。换句话说,在质心系中系统总动量为 0。

孤立系中,合外力的冲量为 0,则 12Mvc2=Const,则资用能为常数。

如果 ∑i12mivi2 为固定值,为了使 ∑i12mivi′2 最大,需要让 vc 最小,对撞。

质心的特性

质心系的动量为0。内力的冲量和为0。内力的力矩和为0。

速度、加速度的分解:相对于质心的速度、加速度+质心的速度、加速度。

动量的分解:没有分解,就是质心整体的动量。

角动量的分解:相对于质心的角动量+质心的动量。

质心系下功能原理/角动量定理守恒是适用的。

碰撞问题

碰撞是自然界中十分普遍的现象。

两者有可能结合在一起,或产生新的成分。

  1. 相互作用强。

  2. 力的形式复杂

  3. 无法直接测量和记录碰撞过程

处理碰撞的物理定律是动量守恒。

弹性碰撞 碰撞后的物体和碰撞前相同,而且物体内部状态无变化。能量相同。碰撞后物体的形变可以完全恢复,且碰撞前后系统的总机械能守恒。

非弹性碰撞 碰撞后的物体与碰撞前不相同,或物体内部状态有变化。碰撞后物体的形变只有部分恢复,系统有部分机械能损失。

完全非弹性碰撞 碰撞后物体的形变完全不能恢复,两物体合为一体一起运动,沿着碰撞方向的速度相等。系统有机械能损失。

微观粒子:碰撞 ⇔ 散射

{m1v10+m2v20=m1v1+m2v212m1v102+12m2v202=12m1v12+12m2v22
{v1=(m1−m2)v10+2m2v20m1+m2v2=(m2−m1)v20+2m1v10m1+m2
  1. m1=m2 时,交换速度。

  2. v20=0 且 m2≫m1 撞墙调转运动方向。

  3. v20=0 且 m2≪m1,则 v1≈v10,v2≈2v10。

一般情况的非弹性碰撞,碰撞后两球的分离速度 (v2−v1) 与碰撞前两球的接近速度 (v10−v20) 成正比。比值由材料决定。恢复系数的定义:沿着碰撞方向的前后相对速度之比。

e=v2−v1v10−v20

弹性碰撞 e=1,非弹性碰撞 0<e<1,完全非弹性碰撞 e=0。

碰撞后两球的速度

v1=v10−m2(1+e)(v10−v20)m1+m2v2=v20+m1(1+e)(v10−v20)m1+m2

机械能损失

ΔEk=−12(1−e2)m1m2m1+m2(v10−v20)2

当 e=0,代表完全非弹性碰撞,令折合质量

μ=m1m2m1+m2
ΔEk=−12μ(v10−v20)2

接近速度。

对于二维碰撞,如果给出散射角,就能唯一确定。

恢复系数的物理意义:

e=v2−v1v10−v20=恢复阶段冲量压缩阶段冲量

压缩阶段

I1m2=v−v20I1m1=v10−vI1(1m1+1m2)=v10−v20

恢复阶段

I1(1m1+1m2)=v2−v1

e<0,e>1 的情况

质心系中,在碰撞前后两质点的动量始终大小相等,方向相反。


光滑桌面上,质量为 m1 的小球以速度 u 碰在质量为 m2 的静止小球上,u 与两球的连心线成 θ 角(称为斜碰)。设两球表面光滑,它们相互撞击力的方向沿着两球的连心线(也就是说,m1 球给 m2 球的动量沿着连心线方向,m2 速度的方向已知,给了我们建系的提示),已知恢复系数 e。求碰撞后两球的速度。

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利用 x,y 方向动量分别守恒(其中 y 方向速度不变,可以隔离分析,只用分析一个一维的运动)

m1v1x+m2v2=m1ucos⁡θ−m1v1y=−m1usin⁡θ

恢复系数

e=v2−v1v10−v20=v2−v1xucos⁡θ

**image-20230416195425646

首先得到 vx=v0,vy=2gh,碰撞后(以竖直向上为正方向)

vM=m−Mm+Mvyvmy=2mm+Mvy

然后使用机械能守恒,以 M 初始位置为零势能点,然后可以忽略 M 的重力,得到

12MvM2=12kx2

因此,

x=MkvM=2mm+M2Mghk

只发生一次碰撞,应该正好在板子的边缘离开板子。

变质量物体的运动

运动主体+抛(吸)物体

在 t 时刻动量为 P(t),在 t+Δt 时刻动量为 P(t+Δt)。则 ΔP=P(t+Δt)−P(t)=∑FΔt。

提绳子,线密度 λ。t 时刻提到 x,速度为 v,在 t+dt,多提起来 vdt 长度的绳子。

Fdt−xλgdt=λ(x+vdt)(v+dv)−λxv

火箭、提链子。

设 t 时刻,火箭质量为 m1,速度为 v,在 dt 时间内,喷出气体为 dm2,喷气相对火箭的速度(喷气速度)为 u 向下。

−P(t)+P(t+dt)=F外⋅dt

研究喷气的动量变化:

(v+dv⏟下一时刻火箭的速度−u)dm2−vdm2≈−udm2

由动量定理:

(F+dm2g)dt=Fdt=−udm2

反作用力

FP=udm2dt

对于火箭和喷气组成的系统

Fdt=(m1−dm2)(v+dv)+dm2(v+dv−u)−m1v=m1dv−udm2

因此推出:

F=m1dvdt−udm2dt=====dm1=−dm2m1dvdt+udm1dt

火箭的速度公式,如果只记重力,F=−m1g,两边同时除以 m1,分离变量:

∫0t−gdt=∫0tdvdtdt+∫0tudm1m1dtdt−gt=v(t)−v(0)+uln⁡m(t)m(0)v=uln⁡m10m1−gt⏟阻力

如果不计重力,得到

v=uln⁡m10m1

如何最大化速度,

vmax=uln⁡m10m1min

问题相当于,原来静止 m10 的物体,一份一份地以相对速度 u 射出物体的部分,求物体质量为 m1 时可能达到的最大速度。需要分的越小越好。

希望最小化剩下的质量。

提高火箭速度的途径

  1. 增加 u。

  2. 增加 m10/m1min。但是由技术方面的限制。

多级火箭

v=∑iuln⁡Ni=uln⁡(∏iNi)

绳子、链条运动的问题

质量为 M 的运至链条,全长为 L,手持其上端,使其下端刚好碰到桌面。然后放手让它自由下落到桌面上,如图。求链条落到桌面长度为 l 时,桌面所受链条作用力的大小。

令 λ=M/L,

(mg−N)dt=−λ(L−l)v+λ(L−l−vdt)(v+gdt)

得到

N=3MglL

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质点的角动量 角动量守恒定律

角动量(动量矩)

由于动量 p=mv 不能描述转动问题。例如一个轻杆连接两个物体,这时候动量恒为 0。

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引入质点关于参考点 O (参考系中不动点)的角动量。

L:=r×p=r×mv

大小:

L=rmvsin⁡θ

分量式:

L=r×p=|ijkxyzpxpypz|

因此,

Lx=ypz−zpy=m(yvz−zvy)

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质点角动量定理

类比

Ek=12mv2dEkdt=F⋅v(功率)p=mvdpdt=F(力)dLdt=d(r×mv)dt=r×d(mv)dt+drdt⏟v×mv=r×d(mv)dt=r×F

合力对 同一参考点 O 的力矩。

M:=r×FM=Fd=Frsin⁡θ

角动量是力矩的时间累积效应。

M=r×F=dLdt

微分形式,表示在 dt 时间的变化

Mdt=dL

积分形式

r×I=∫t0tMdt=∫L0LdL=L−L0

∫t0tMdt 称为合力矩在 t0→t 时间内的 冲量矩。

角动量守恒定律

当 M=0,比如 F=0,F 过 O 点:有心力(如行星受中心恒星的万有引力)

L=Const

轨道在同一个平面内。

在中心力场中,关于力心的角动量守恒:

L=mvrsin⁡α=m|dr|dtrsin⁡α=2m12r|dr|sin⁡α⏞三角形的高dt=2mdSdt

得到 开普勒第二定律 面积定律

dSdt=L02m

常量,只和运动的行星有关。

质点对轴的转动定律

Mz=0⇒Lz=Const

如果外力使质点变换轨道,由角动量守恒得到

R2mv2=R1mv1⇒v2=R1R2v1

质点系的角动量

作用于质点系的力矩

M=∑iMi=∑iri×Fi

重力矩

Mg=∑iri×(mig)=rc×mg

取质心为轴,重力的力矩为 0。

内力矩

一对力力的方向沿两者连线上,因此

Mij=ri×fij+rj×fji=(ri−rj)×fij=rij×fij≡0
dLdt=∑iri×Fi⏟外力=M

质点系角动量守恒的条件:

  1. 外力为 0.

  2. 每个外力矩为 0.

  3. 外力矩加起来为 0.

质点系的动量守恒和角动量守恒是独立的,可以同时满足。

质心系的角动量定理

L=∑iri×mivi

与惯性系中形式完全相同,但是无论质心系做匀速平动还是加速平动都成立。


[例4-12] 发射宇宙飞船去考察一质量为 m1 、半径为 R 的行星, 当飞船静止于距行星中心 4R 处时, 以速度 v→0 发射一 质量为 m2(m2 远小于飞船质量) 的仪器, 要使仪器恰好掠着 行星的表面着陆, θ 角应是多少? 着陆滑行初速度 v 多大?

运用 角动量守恒 和 系统机械能守恒 定律。


[例2-30] 将一质点沿一个半径为 r 的光滑半球形碗的内面 水平地 投射, 碗保持静止, 如图, 设 v0 是质点恰好能达到 碗口所需的初速率. (1) 试说明质点为什么能到达碗口? (2) 求 v0 与 θ0 的关系。 ( θ0 是质点的初始角位置, o 为球心 )

当 Ncos⁡θ0>mg 时,小球能向上加速。

临界条件:

Nsin⁡θ0=mv02rsin⁡θ0Ncos⁡θ0=mg⇒v0=grsin2⁡θ0cos⁡θ0

恒力的力矩沿着这个力的方向为 0,因此分角动量守恒。这里,在 z 轴角动量守恒。

角动量守恒:

mv0rsin⁡θ0=mvr

[例2-32] 如图所示, 质量为 m 的飞船绕质量为 M 的地球作匀速 圆周运动, 轨道半径为 3R ( R 为地球半径), 它的运行速率 v0 为 多少?飞船在此处要将它的运动速度至少增加到 v1 为多少时, 才能飞离地球? 若飞船在 3R 处将速度增加到 v1 后关闭发动机, 在离地心为 12R 处, 它的切向加速度分量 at 为多少?该处轨道的 曲率半径 ρ 为多少 (用地球半径 R 以及地球表面附近的重力加速 度 g 表示结果)?

在地面处:

GMmR2=mgg=GMR2

飞船在 3R 处绕地球做匀速圆周运动,得到

mv023R=GmM(3R)2=mg9

得出 v0。

为了脱离地球,系统机械能至少为零。

12mv12−GMm3R=0⇒v1=2Rg3

从 3R 到 12R,系统机械能守恒。

12mv22−GMm12R=0⇒v2=Rg6

实际上,若机械能为零,应该做抛物线运动。

在此过程中,飞船相对于地心角动量守恒:

mv1⋅3R=mv2⋅12Rsin⁡θ⇒sin⁡θ=12

需要把飞船的加速度沿速度方向和垂直速度方向分解。

|a|=GM(12R)2=g144

所以

at=−acos⁡θ=−3g288an=asin⁡θ=g288ρ=v22/an=48R

质量为 M 的静止粒子 A 与质量为 m,具有速度的粒子 B 碰撞,实验发现,当 B 的动能小于某个数值时,A,B 发生非弹性碰撞,只有当 B 的动能大于此值时,A,B 发生非弹性碰撞,此时 B 将吸收数值为 ΔE 的固定能量。

计算 B 所应具有的这一动能值。

质心速度不变

vc=mm+Mv0

系统能量守恒:

12mv02=12(m+M)vc2⏟const+12mv2+12MV2+ΔE

为了使 v0 最小,需要

12mv2=12MV2=0

因此,

Ek=m22(m+M)v02+ΔE

同轴圆筒 (Ma、Mb) 均可自由转动, 外筒开始静止。内筒开有许多小孔,内表面散布着一薄层沙 (M0), 以 ω0 匀速转动,沙飞出并附着在 外筒内壁。单位时间喷出沙的质量为 k, 忽略 沙的飞行时间,求 t 时刻两筒角速度。

内筒仅仅是把沙子甩出,所以角速度不变。利用沙子和外筒角动量守恒,可以得到:

kta2ω0=(Mb+kt)b2ωb

因此,

ωb=kta2(Mb+kt)b2ω0

两球的质量均为 m,轻绳,光滑水平面,求运动规律及绳中张力。

首先,分析质点系的平动,得到水平方向守恒,也就是

mv0=2mvc⇒vc=12v0

然后再在质心系中分析,得到系统相对质心角动量守恒,为了处理角速度:

mv0l2=m(l2)2ω+m(l2)2ω⇒ω=v0l

为什么不选择相对于其他的点角动量守恒,也可以得到:

mv0l=ml2ω⇒ω=v0l

所以可以选择质心以外的点分析。

绳中的张力:

T=ml2ω2=12mv02l

三球质量均为 m,轻杆,光滑水平面,对心弹性碰撞,分析其运动情况。

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a,b 被轻杆束缚,因此选择 ab 作为一个整体分析。其质心位于两球连线的中央。

因此动量守恒,得到:

mv0=mv+2mvc

cb 两球的作用力沿两球连线方向,碰撞之后 c 运动仍然在 cb 连线这条直线上。

设 ab 杆相对于质心的角速度为 ω,则相对于 c,va=vb=ωl2,r=l2,因此总角动量为

2m(l2)2ω

因此,系统角动量守恒就是说:

mv0l2sin⁡45∘=mvl2sin⁡45∘+2m(l2)2ω

系统机械能守恒就是:

12mv02=12mv2+12(2m)vc2+12(2m)(l2)2ω2

为什么不选择 abc 整体的质心分析,因为 c 不受束缚,质心的位置难以确定。


处理天体运动,一般需要机械能守恒+角动量守恒。