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动量守恒定律的应用范围及意义

更新时间:2025-01-16 工作计划 版权反馈
【摘要】:动量守恒定律是矢量式,在直角坐标系中的分量式为式中,C1、C2和C3均为常量。相反,动量守恒定律拥有比牛顿定律更广的适用范围,是比牛顿定律更普遍的定律。即某些过程中牛顿定律不再适用,但是动量守恒定律依然适用,如在微观领域中不能使用牛顿定律,却可以使用动量守恒定律。

若质点系受到的合外力为零,则式(3-10)可写为

即p-p0=0,也可以写成

这就是质点系的动量守恒定律,其可表述为当系统不受外力或所受合外力为零时,系统的总动量将保持不变。动量守恒定律是矢量式,在直角坐标系中的分量式为

式中,C1、C2和C3均为常量。

需要注意的是:

(1)如果系统所受合外力不为零,但是所受合力在某个方向上的分量为零,那么系统的总动量不守恒,而在该方向却是守恒的;

(2)系统所受合外力不为零,但是系统内力远大于合外力,此时可以近似认为系统的动量是守恒的,如处理爆炸问题我们就可以使用动量守恒定律;

(3)我们在讨论动量守恒定律时从牛顿第二定律出发,并且用到了牛顿第三定律,但是我们不能认为动量守恒定律是从牛顿定律推导出来的。相反,动量守恒定律拥有比牛顿定律更广的适用范围,是比牛顿定律更普遍的定律。即某些过程中牛顿定律不再适用,但是动量守恒定律依然适用,如在微观领域中不能使用牛顿定律,却可以使用动量守恒定律。

例3-1 如图3-2所示,质量为2.5 g的乒乓球以10 m/s的速率飞来,被挡板阻挡后,又以20 m/s的速率飞出。设两速度在垂直于挡板p面的同一平面内,且它们与挡板面法线的夹角分别为45°和30°,求:(1)挡板阻挡的过程中乒乓球得到的冲量;(2)若撞击时间为0.01 s,求挡板施于球的平均冲力的大小和方向。

图3-2 例3-1图

分析 已知质点的质量及初、末速度,要求其得到的冲量和平均冲力,可由动量定理进行计算。

解 (1)取挡板和乒乓球为研究对象,由于作用时间很短,忽略重力影响。设挡板对乒乓球的冲力为F,则由动量定理,有

选取坐标系如图3-1所示,将上式写成分量式,有

将v1=10 m/s,v2=20 m/s,m=2.5×10-3kg代入上面三个式子得冲量为(www.xing528.com)

(2)当Δt=0.01 s时,有

平均冲力与x方向的夹角α为

即平均冲力与x方向的夹角为6.54°。

例3-2 如图3-3所示,在光滑的水平面上,有一质量为M、长为l的小车,车上一端有一质量为m的人,起初人和车均静止,若人从车一端走到另一端,设vm为人的行进速度,vM为车的行进速度,vmM为人和车相对于地面的行进速度,则人和车相对地面走过的距离sm和sM各为多少?

图3-3 例3-2图

解 研究对象:车和人组成的系统。

由于此系统在水平方向所受合外力为零,故在此方向动量守恒,则有

如图以初始时刻人所在位置为原点建立坐标系,标量式为

方法二:

由式(1)得车和人速度关系的标量式为

积分得

又因为

由式(2)和式(3)可得

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