| Learning Objective | Essential Knowledge |
|---|---|
4.1.A |
|
线动量
AP 物理 C:力学 · 第 4 主题
4.1
线动量
大纲
来源:美国大学理事会 AP 课程与考试说明
动量(linear momentum)是质量乘速度:
它是一个沿速度指向的矢量(vector),而它是分析碰撞(collisions)和爆炸(explosions)的那个量。一组物体能被当作一个以它质心(center of mass)速度移动的系统:
所以系统的总动量是它的总质量乘 $\vec{v}_{\text{cm}}$ ——对任何数量的部分只有一个物体量的记账。
| 英文 | 中文 | 拼音 |
|---|---|---|
| Linear momentum | 动量 | dòng liàng |
| vector | 矢量 | shǐ liàng |
| collisions | 碰撞 | pèng zhuàng |
| explosions | 爆炸 | bào zhà |
| center of mass | 质心 | zhì xīn |
4.2
动量变化与冲量
大纲
| Learning Objective | Essential Knowledge |
|---|---|
4.2.A |
|
4.2.B |
|
来源:美国大学理事会 AP 课程与考试说明
牛顿第二定律实际上是一个关于动量的陈述:
当质量恒定时它简化到 $m\vec{a}$ ——而当它不恒定时处理一个变化的质量(特例 $\vec{F}=\dfrac{dm}{dt}\vec{v}$ 只在速度恒定时成立,例如一条堆到秤上的链,或落到匀速传送带上的沙;火箭不适用,因为它在加速)。一个力传递的冲量(impulse)是它的时间积分,而冲量-动量定理(impulse–momentum theorem)说它等于动量的变化:
冲量是一个沿合力的矢量。从图两种方式读它:
- 在一个力-时间图上,冲量是曲线下的面积。
- 在一个动量-时间图上,合力是每个时刻的斜率(slope)。

把同样的 $\Delta p$ 分散到一个更长的时间降低力——那就是为什么气囊、溃缩区和软着陆工作,以及为什么你着陆时弯膝。
Worked example. 一个时变力 $F(t)=10t\ \text{N}$ 作用在一个 $2.0\ \text{kg}$ 的物体上 $2.0\ \text{s}$。冲量是 $J=\displaystyle\int_0^2 10t\,dt=\big[5t^2\big]_0^2=20\ \text{N}\cdot\text{s}$,所以速率变化 $\Delta v=J/m=10\ \text{m/s}$。
| 英文 | 中文 | 拼音 |
|---|---|---|
| impulse | 冲量 | chōng liàng |
| impulse–momentum theorem | 冲量-动量定理 | chōng liàng - dòng liàng dìng lǐ |
| slope | 斜率 | xié lǜ |
4.3
线动量守恒
大纲
| Learning Objective | Essential Knowledge |
|---|---|
4.3.A |
Boundary statement: AP Physics C: Mechanics only expects students to quantitatively analyze collisions and interactions in one or two dimensions. Three-dimensional collisions may be analyzed qualitatively. |
4.3.B |
|
来源:美国大学理事会 AP 课程与考试说明
内力成牛顿第三定律对,所以它们在任何系统内抵消:它们能在部分之间移动动量但从不改变总量。动量只通过一个合外力进入或离开一个系统($\vec{J}=\Delta\vec{p}$)。所以,以零合外力,总动量守恒(conserved):
动量在每个碰撞里守恒,无论多剧烈——选择系统足够大,使碰撞力是内部的。沿每个轴分别应用守恒;AP 要求一维或二维的定量工作。

Worked example (explosion). 一个静止的 $6.0\ \text{kg}$ 弹壳分裂成一个以 $9.0\ \text{m/s}$ 向东移动的 $2.0\ \text{kg}$ 片和一个 $4.0\ \text{kg}$ 片。总动量保持零,所以重的片以 $v=\dfrac{2.0(9.0)}{4.0}=4.5\ \text{m/s}$ 向西移动。动能来自储存的(化学或弹簧)能量——动量守恒不要求动能守恒。
Collide two carts and conserve momentum
In any collision the total momentum $\sum mv$ before equals the total after. Set the masses and speeds and check the momentum bookkeeping.
| 英文 | 中文 | 拼音 |
|---|---|---|
| conserved | 守恒 | shǒu héng |
4.4
弹性碰撞与非弹性碰撞
大纲
| Learning Objective | Essential Knowledge |
|---|---|
4.4.A |
|
来源:美国大学理事会 AP 课程与考试说明
所有碰撞都守恒动量;它们在动能(kinetic energy)发生什么上不同:
| 类型 | 动量 | 动能 |
|---|---|---|
| 弹性碰撞(elastic collision) | 守恒 | 总量守恒(各自份额可能变化) |
| 非弹性碰撞(inelastic collision) | 守恒 | 减少——一些变成热、声、形变(deformation) |
| 完全非弹性碰撞(perfectly inelastic collision) | 守恒 | 最大可能的损失——物体粘住并共享一个速度 |
策略:总是先写动量守恒;只在问题说"弹性"时加动能方程。两个有用的弹性事实:一维弹性碰撞里相等的质量简单地交换速度,而在质心参考系里每个物体只反转它的速度。
Worked example. 一辆 $1000\ \text{kg}$ 以 $20\ \text{m/s}$ 的车撞一辆静止的 $1500\ \text{kg}$ 的车而它们锁在一起——完全非弹性。动量:$v=\dfrac{1000(20)}{2500}=8.0\ \text{m/s}$。动能从 $2.0\times10^5\ \text{J}$ 落到 $\tfrac12(2500)(8.0)^2=8.0\times10^4\ \text{J}$:约 $60\%$ 损失,即使动量恰好守恒。
Worked example (2D). 一个向东以 $4.0\ \text{m/s}$ 移动的冰球撞一个静止的相同冰球;掠射撞击后,一个以 $2.0\ \text{m/s}$、东偏北 $60^\circ$ 移动。守恒每个轴:东-西,$m(4.0)=m(2.0)\cos60^\circ+mv_x$,所以 $v_x=3.0\ \text{m/s}$;南-北,$0=m(2.0)\sin60^\circ-mv_y$,所以 $v_y=1.7\ \text{m/s}$。第二个冰球以 $\sqrt{3.0^2+1.7^2}=3.5\ \text{m/s}$、东偏南约 $30^\circ$ 移动。

Exam skill. 在 FRQ 上,用条件、不是口号来论证:"碰撞期间两冰球系统上的合外力是零,所以它的总动量恒定。"若被问碰撞是否弹性,计算之前和之后的动能并比较——绝不假设。
Compare elastic and inelastic collisions
Momentum is always conserved, but kinetic energy is only conserved in an elastic collision. In an inelastic one the carts stick and some energy becomes heat.
| 英文 | 中文 | 拼音 |
|---|---|---|
| kinetic energy | 动能 | dòng néng |
| elastic collision | 弹性碰撞 | tán xìng pèng zhuàng |
| inelastic collision | 非弹性碰撞 | fēi tán xìng pèng zhuàng |
| deformation | 形变 | xíng biàn |
| perfectly inelastic collision | 完全非弹性碰撞 | wán quán fēi tán xìng pèng zhuàng |
4.4
考试技巧
- 冲量等于动量变化:$\vec J=\int \vec F\,dt=\Delta\vec p$,而它是一个力-时间图下的面积。
- 每当合外力是零时动量守恒——总是碰撞的首选。
- 把弹性(动能守恒)与非弹性(动能减少)碰撞区分开;在完全非弹性碰撞中物体粘住并以一个速度运动。
- 在二维里对每个分量(x 和 y)分别应用守恒。
- 与质心联系:总动量 $=M\vec v_{cm}$。
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