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线动量

AP 物理 C:力学 · 知识点 4

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7:00

线性动量

汽车在碰撞中停下。若有安全气囊,司机可以安然无恙地走出车外;若无,则不能。两种情况下动量的变化完全相同——从满速……

英语旁白 · 英中内嵌字幕

4.1

线动量

教学大纲

学习目标 4.1.A: 描述物体或系统的线性动量。

  • 4.1.A.1 线性动量由方程 $\vec{p} = m\vec{v}$ 定义。
  • 4.1.A.2 动量是一个矢量,其方向与速度方向相同。
  • 4.1.A.3 动量可用于分析碰撞和爆炸过程。
    • 4.1.A.3.i 碰撞是一种相互作用模型,在该模型中,系统内涉及物体之间施加的力远大于相互作用期间这些物体所受的合外力。
    • 4.1.A.3.ii 由于仅分析碰撞的初始状态和最终状态,因此可以使用质点模型来分析碰撞。
    • 4.1.A.3.iii 爆炸是一种相互作用模型,在该模型中,系统内部的力使系统内的物体相互分离。

来源:College Board AP 课程与考试说明

English

Linear momentum 动量 is mass 质量 times velocity 速度:

$$\vec{p}=m\vec{v}.$$

It is a vector 矢量 pointing along the velocity, and it is the quantity for analysing collisions 碰撞 and explosions 爆炸. A collection of objects can be treated as one system 系统 moving with the velocity of its center of mass 质心:

$$\vec{v}_{\text{cm}}=\frac{\sum m_i\vec{v}_i}{\sum m_i},$$

so the system's total momentum is its total mass times $\vec{v}_{\text{cm}}$ – one object's worth of bookkeeping for any number of parts.

探索

线性动量

动量是质量乘以速度——在质量固定时,它随速度成比例增长。

词汇 训练
English 中文 拼音
Linear momentum/ˈlɪnɪə məʊˈmentəm/ 动量 dòng liàng
mass/mæs/ 质量 zhì liàng
velocity/vəˈlɒsɪti/ 速度 sù dù
vector/ˈvektə/ 矢量 shǐ liàng
collisions/kəˈlɪʒnz/ 碰撞 pèng zhuàng
explosions/ekˈspləʊʒnz/ 爆炸 bào zhà
system/ˈsɪstəm/ 系统 xì tǒng
center of mass/ˈsentə ɒv mæs/ 质心 zhì xīn
4.2

动量变化与冲量

教学大纲

学习目标 4.2.A: 描述施加于物体或系统的冲量。

  • 4.2.A.1 系统动量的变化率等于作用于该系统的合外力。
    • 公式: $\vec{F}_{\text{net}} = \dfrac{d\vec{p}}{dt}$
  • 4.2.A.2 冲量定义为作用在物体或系统上的力在一段时间间隔内的积分。
    • 公式: $\vec{J} = \displaystyle\int_{t_1}^{t_2} \vec{F}_{\text{net}}(t)\,dt$
  • 4.2.A.3 冲量是矢量,其方向与作用在系统上的合力方向相同。
  • 4.2.A.4 合外力对系统施加的冲量等于合外力随时间变化曲线下的面积。
  • 4.2.A.5 作用于系统的合外力等于系统动量随时间变化曲线的斜率。

学习目标 4.2.B: 描述施加于物体或系统的冲量与该物体或系统动量变化之间的关系。

  • 4.2.B.1 动量变化是系统末动量与初动量之差。
    • 公式: $\Delta\vec{p} = \vec{p} - \vec{p}_0$
  • 4.2.B.2 冲量-动量定理将施加于物体的冲量与物体的动量变化联系起来。
    • 4.2.B.2.i 施加于物体的冲量等于物体的动量变化。
      • 公式: $\vec{J} = \displaystyle\int_{t_1}^{t_2} \vec{F}_{\text{net}}(t)\,dt = \Delta\vec{p}$
    • 4.2.B.2.ii 牛顿第二运动定律是冲量-动量定理应用于质量恒定系统的直接结果。
      • 公式: $\vec{F}_{\text{net}} = \dfrac{d\vec{p}}{dt} = m\dfrac{d\vec{v}}{dt} = m\vec{a}$
    • 4.2.B.2.iii 冲量-动量定理也描述了速度恒定但质量随时间变化的系统的行为。
      • 公式: $\vec{F}_{\text{net}} = \dfrac{d\vec{p}}{dt} = \dfrac{dm}{dt}\vec{v}$

来源:College Board AP 课程与考试说明

English

Newton's second law 牛顿第二定律 for a system containing the same particles is:

$$\vec{F}_{\text{net}}=\frac{d\vec{p}}{dt},$$

This reduces to $m\vec{a}$ for constant total mass. If matter crosses the chosen boundary, include the momentum it carries. Sand arriving with zero horizontal speed and leaving on a conveyor belt 传送带 at speed $v$ needs horizontal force $F=\dot{m}v$, where $\dot{m}$ is the mass arriving per second. A rocket 火箭 gains momentum as exhaust carries momentum away; applying $d(m\vec{v})/dt$ to the rocket alone without this momentum flow is incorrect. The impulse 冲量 delivered by a force is its time integral 对时间的积分, and the impulse–momentum theorem 冲量-动量定理 says it equals the change in momentum:

$$\vec{J}=\int_{t_1}^{t_2}\vec{F}_{\text{net}}\,dt=\Delta\vec{p}.$$

For a constant net force 合力, the impulse points in its direction. Read it off graphs both ways:

  • On a force–time graph 力–时间图, impulse is the area 面积 under the curve.
  • On a momentum–time graph, the net force is the slope 斜率 at each instant 时刻.
Impulse is the area under the force-time curve, equal to the average force times the contact time
Impulse is the area under the force-time curve, equal to the average force times the contact time

Spreading the same $\Delta p$ over a longer time lowers the force – that is why airbags 安全气囊, crumple zones 溃缩区, and soft landings work, and why you bend your knees when you land.

Worked example. A time-varying force $F(t)=10t\ \text{N}$ acts on a $2.0\ \text{kg}$ object for $2.0\ \text{s}$. The impulse is $J=\displaystyle\int_0^2 10t\,dt=\big[5t^2\big]_0^2=20\ \text{N}\cdot\text{s}$, so the speed changes by $\Delta v=J/m=10\ \text{m/s}$.

探索

冲量与动量变化

冲量是力乘以时间,且等于动量的变化。对每种情况进行分类。

词汇 训练
English 中文 拼音
Newton's second law/ˈnjuːtnz ˈsekənd lɔː/ 牛顿第二定律 niú dùn dì èr dìng lǜ
conveyor belt 传送带 chuán sòng dài
rocket 火箭 huǒ jiàn
impulse/ˈɪmpʌls/ 冲量 chōng liàng
time integral 对时间的积分 duì shí jiān de jī fēn
impulse–momentum theorem/ˈɪmpʌls məʊˈmentəm ˈθɪərəm/ 冲量-动量定理 chōng liàng - dòng liàng dìng lǐ
net force/net fɔːs/ 合力 hé lì
force–time graph 力–时间图 lì – shí jiān tú
area/ˈeərɪə/ 面积 miàn jī
slope/sləʊp/ 斜率 xié lǜ
instant 时刻 shí kè
airbags 安全气囊 ān quán qì náng
crumple zones 溃缩区 kuì suō qū
4.3

线动量守恒

教学大纲

学习目标 4.3.A: 利用线性动量守恒描述系统的运动行为。

  • 4.3.A.1 一组具有各自动量的物体可以被视为一个具有单一质心速度的系统。
    • 4.3.A.1.i 对于一组物体,可以通过以下方程计算其质心的速度:
      • 公式: $\vec{v}_{\text{cm}} = \dfrac{\sum \vec{p}_i}{\sum m_i} = \dfrac{\sum (m_i \vec{v}_i)}{\sum m_i}$
    • 4.3.A.1.ii 在没有净外力作用的情况下,系统的质心速度保持不变。
  • 4.3.A.2 系统的总动量等于系统各组成部分动量的矢量和。
  • 4.3.A.3 在没有净外力作用的情况下,系统内任一物体动量的变化必须由系统内其他位置大小相等、方向相反的动量变化来平衡。系统动量的任何变化都是由于系统与周围环境之间发生了动量传递。
    • 4.3.A.3.i 一个物体对另一个物体施加的冲量与第二个物体对第一个物体施加的冲量大小相等、方向相反。这是牛顿第三定律的直接结果。
    • 4.3.A.3.ii 可以选择一个特定的系统,使得该系统的总动量保持恒定。
    • 4.3.A.3.iii 如果系统的总动量发生变化,该变化量等同于作用于该系统的冲量。
      • 公式: $\vec{J} = \Delta\vec{p}$
  • 4.3.A.4 正确应用动量守恒定律可以确定碰撞或爆炸发生前后瞬间系统的速度。

边界说明:AP 物理 C:力学仅要求学生在一维或二维情况下对碰撞和相互作用进行定量分析。三维碰撞可以进行定性分析。

学习目标 4.3.B: 描述系统的选择如何决定该系统动量是否发生变化。

  • 4.3.B.1 在所有相互作用中,动量都是守恒的(指孤立系统)。
  • 4.3.B.2 如果所选系统所受的净外力为零,则系统的总动量保持不变。
  • 4.3.B.3 如果所选系统所受的净外力不为零,则动量将在系统与外界环境之间发生传递。

来源:College Board AP 课程与考试说明

English

Internal forces 内力 come in Newton's-third-law pairs, so they cancel inside any system: they can shuffle momentum between parts but never change the total. For a fixed set of particles, total momentum changes only through a net external force ($\vec{J}=\Delta\vec{p}$). So, with zero net external force 合外力, total momentum is conserved 守恒:

$$\sum\vec{p}_{\text{before}}=\sum\vec{p}_{\text{after}}.$$

Momentum is conserved over a collision when the net external impulse is negligible; choose a system containing both colliding objects. Apply conservation separately along each axis 坐标轴; AP asks for quantitative work in one or two dimensions.

A head-on collision: total momentum before equals total momentum after
A head-on collision: total momentum before equals total momentum after

Worked example (explosion). A $6.0\ \text{kg}$ shell at rest splits into a $2.0\ \text{kg}$ piece moving at $9.0\ \text{m/s}$ east and a $4.0\ \text{kg}$ piece. Total momentum stays zero, so the heavy piece moves west at $v=\dfrac{2.0(9.0)}{4.0}=4.5\ \text{m/s}$. The kinetic energy came from stored (chemical or spring) energy – momentum conservation does not require kinetic-energy conservation.

探索

碰撞两辆小车并动量守恒

在任何碰撞中,总动量 $\sum mv$ 在碰撞前后保持不变。设置质量和速度,并验证动量守恒。

词汇 训练
English 中文 拼音
Internal forces/ɪnˈtɜːnl ˈfɔːsɪz/ 内力 nèi lì
net external force/net ekˈstɜːnl fɔːs/ 合外力 hé wài lì
conserved/kənˈsɜːvd/ 守恒 shǒu héng
axis/ˈæksɪs/ 坐标轴 zuò biāo zhóu
4.4

弹性碰撞与非弹性碰撞

教学大纲

学习目标 4.4.A: 描述物体之间的相互作用是弹性的还是非弹性的。

  • 4.4.A.1 物体之间的弹性碰撞是指系统的初始动能等于系统最终动能的碰撞。
  • 4.4.A.2 在弹性碰撞中,系统内每个物体的最终动能可能与其初始动能不同。
  • 4.4.A.3 物体之间的非弹性碰撞是指系统的总动能减少的碰撞。
  • 4.4.A.4 在非弹性碰撞中,部分初始动能没有恢复为动能,而是通过非保守力转化为其他形式的能量。
  • 4.4.A.5 在完全非弹性碰撞中,物体发生粘连并以相同的速度共同运动。

来源:College Board AP 课程与考试说明

English
Conservation of momentum in a collision

When the net external impulse is negligible, collisions conserve momentum; they differ in what happens to the kinetic energy 动能:

type momentum kinetic energy
elastic collision 弹性碰撞 conserved total conserved (individual shares may change)
inelastic collision 非弹性碰撞 conserved decreases – some becomes heat, sound, deformation 形变
perfectly inelastic collision 完全非弹性碰撞 conserved largest possible loss – the objects stick and share one velocity

Strategy: always write momentum conservation first; add the kinetic-energy equation only when the problem says "elastic". Two useful elastic facts: equal masses in a 1D elastic collision simply exchange velocities, and in the center-of-mass frame 质心参考系 each object just reverses its velocity.

Worked example. A $1000\ \text{kg}$ car at $20\ \text{m/s}$ strikes a stationary $1500\ \text{kg}$ car and they lock together – perfectly inelastic. Momentum: $v=\dfrac{1000(20)}{2500}=8.0\ \text{m/s}$. Kinetic energy falls from $2.0\times10^5\ \text{J}$ to $\tfrac12(2500)(8.0)^2=8.0\times10^4\ \text{J}$: about $60\%$ is lost, even though momentum is exactly conserved.

Worked example (2D). A puck moving east at $4.0\ \text{m/s}$ strikes an identical puck at rest; after the glancing hit, one moves at $2.0\ \text{m/s}$ at $60^\circ$ north of east. Conserve each axis: east–west, $m(4.0)=m(2.0)\cos60^\circ+mv_x$, so $v_x=3.0\ \text{m/s}$; north–south, $0=m(2.0)\sin60^\circ-mv_y$, so $v_y=1.7\ \text{m/s}$. The second puck moves at $\sqrt{3.0^2+1.7^2}=3.5\ \text{m/s}$, about $30^\circ$ south of east.

A glancing collision, resolved along two perpendicular axes
A glancing collision, resolved along two perpendicular axes

Exam skill. On FRQs, justify with the condition, not the slogan: "the net external force on the two-puck system is zero during the collision, so its total momentum is constant." If asked whether the collision is elastic, compute the kinetic energy before and after and compare – never assume.

A Newton's cradle: five steel balls hanging in a row
A Newton's cradle shows momentum and kinetic energy passing through a near-elastic collision
探索

比较弹性碰撞和非弹性碰撞

动量始终守恒,但动能仅在弹性碰撞中守恒。在非弹性碰撞中,小车会粘在一起,部分能量转化为热能。

词汇 训练
English 中文 拼音
kinetic energy/kɪˈnetɪk ˈenədʒi/ 动能 dòng néng
elastic collision/ɪˈlæstɪk kəˈlɪʒn/ 弹性碰撞 tán xìng pèng zhuàng
inelastic collision/ɪnɪˈlæstɪk kəˈlɪʒn/ 非弹性碰撞 fēi tán xìng pèng zhuàng
deformation/ˌdiːfɔːˈmeɪʃn/ 形变 xíng biàn
perfectly inelastic collision/ˈpɜːfektlɪ ɪnɪˈlæstɪk kəˈlɪʒn/ 完全非弹性碰撞 wán quán fēi tán xìng pèng zhuàng
center-of-mass frame 质心参考系 zhì xīn cān kǎo xì
4.4

考试技巧

English
  • Impulse equals the momentum change: $\vec J=\int \vec F\,dt=\Delta\vec p$, and it is the area under a force–time graph.
  • Momentum is conserved whenever the net external force is zero — always the go-to for collisions.
  • Distinguish elastic (kinetic energy conserved) from inelastic (kinetic energy decreases) collisions; in a perfectly inelastic collision the objects stick and move with one velocity.
  • Apply conservation to each component 分量 (x and y) separately in 2-D.
  • Connect to center of mass: total momentum $=M\vec v_{cm}$.

Common mistakes

  • Conserving momentum while an external impulse is large, for example during a long push from the ground. Conservation needs a negligible net external impulse over the interval.
  • Calling a collision elastic because momentum is conserved. Check kinetic energy too.
  • Reading impulse as the peak force times the time. Impulse is the area under the $F$–$t$ graph.
  • Adding momenta in two dimensions as magnitudes. Conserve the $x$ and $y$ components separately.
  • Forgetting that internal forces cannot move the centre of mass: an explosion leaves $\vec v_{cm}$ unchanged.
词汇 训练
English 中文 拼音
component/kəmˈpəʊnənt/ 分量 fèn liàng

该知识点的互动课程

逐步完成,配合即时检查练习。

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