第 一 章 · 选择性必修第一册

动量守恒定律

动量 p = mv描述"运动量",冲量 I = Ft描述"力作用的时间积累"。当系统不受外力(或内力远大于外力)时,总动量永远守恒——从台球的碰撞到火箭的升空,从微观粒子到星系,无一处例外。

1.1 动量与冲量

概念p = mv,I = Ft

动量:p = mv(kg·m/s),矢量、方向同速度。与动能对比:动量有方向,Ek = p²/2m 无方向。
冲量:I = Ft(N·s),矢量、方向同力。反映力对时间的累积(功反映力对空间的累积)。
同样的动量变化:时间长则力小(安全气囊缓冲 0.1 s 延长到 0.3 s,冲击力减为 1/3),这就是"缓冲"的物理本质。

1.2 动量定理

定理Ft = Δp

动量定理:合外力的冲量 = 动量变化量 I = Δp = mv₂ − mv₁。
应用:跳远要落进沙坑(延长时间减小冲击力)、易碎品打包泡沫、汽车安全气囊;变力冲量可用"平均力"估算(F-t 图面积 = 冲量)。
与动能定理对照:Ft 对应动量(时间效应),Fs 对应动能(空间效应)。
🔬 故事:钱学森与"东风"系列
1955 年钱学森冲破阻挠回到中国,把火箭喷气推进与工程控制论系统地带回来,主持"东风"导弹与"两弹结合"工程。火箭的原理正是动量守恒:燃气高速向后喷出获得向后动量,箭体获得向前动量,两者之和保持为零——不需要"蹬"任何东西,真空里照样加速。中国航天从"东风"起步,如今的空间站每 90 分钟绕地球一圈。

1.3 动量守恒定律

定律m₁v₁ + m₂v₂ = m₁v₁′ + m₂v₂′

守恒条件:系统不受外力、或外力矢量和为零、或内力远大于外力(碰撞、爆炸瞬间,忽略摩擦与重力)。
沿某一方向外力为零,则该方向动量守恒(如光滑水平面上的碰撞)。
三种典型碰撞:弹性碰撞(动量 + 动能都守恒)、非弹性碰撞(只动量守恒)、完全非弹性(碰后合为一体,动能损失最大)。
弹性碰撞速度公式(m₂ 静止):v₁′ = (m₁−m₂)v₁/(m₁+m₂),v₂′ = 2m₁v₁/(m₁+m₂)。

实验一维碰撞模拟器 ⭐(动量/能量条实时对比)

两小球在光滑轨道上碰撞。设置质量与初速,选择碰撞类型;下方能量条验证"弹性守动能、完全非弹性动能损失最大":

经典场景:① m₁ = m₂ 弹性碰撞(速度交换,牛顿摆原理);② 追及碰撞 v₁ > v₂;③ 完全非弹性(碰后共速,动能损失最多)。

1.4 碰撞与反冲

概念爆炸、火箭与人船模型

反冲:系统在内力作用下分成两部分向相反方向运动。火箭(Δv 与喷气速度和质量比有关)、直升机旋翼下压空气、乌贼喷水。
人船模型:静止水面上人从船头走到船尾:m人·s人 = M船·s船(水平动量守恒)。
牛顿摆:理想弹性碰撞链条:一球进一球出(两球进两球出)——动量与动能同时守恒的唯一解。

随堂检测动量小测