这就是动量守恒定律.表述为:当系统所受合外力为零时,系统的总动量将保持不变.
动量守恒定律在直角坐标系中的分量式为
这就是说,当系统所受合外力在某一方向上的分量为零时,则系统在该方向上动量的分量守恒.
应用动量守恒定律必须充分注意守恒的条件,这个条件就是系统所受的合外力必须为零.在有的问题中,系统所受的合外力并不为零,但与系统的内力相比较,远远小于系统的内力.如碰撞、打击、爆炸这类问题,这时外力对系统动量变化的影响很小,可以忽略不计,可近似认为系统的动量是守恒的.
以上我们在牛顿运动定律的基础上导出了动量守恒定律,应指出的是,更普遍的动量守恒定律并不依靠牛顿运动定律.动量守恒定律比牛顿运动定律更加基本,更加普遍,近代科学实验和理论都表明,在自然界中,大到天体间的相互作用,小到质子、中子、电子等微观粒子间的相互作用,动量守恒定律均能适用,它与能量守恒定律一样,是自然界中最普遍、最基本的定律之一.
最后还应指出,动量定理和动量守恒定律都是在牛顿运动定律的基础上导出的,故只适用于惯性系.
例2.9 一长l=4m、质量M=150kg的船,静止于湖面上.今有一质量m=50kg的人从船头走到船尾,如图2.13所示,求人和船相对于湖岸移动的距离.设水的阻力不计.
图2.13 例2.9图
解 取人和船组成的系统为研究对象,由于水的阻力不计,系统在水平方向上无外力作用,水平方向动量守恒.
以V和v分别表示任意时刻船和人相对于湖岸的速度,建立x轴如图所示,由动量守恒定律
即
此式在任何时刻都成立.设t=0时人位于船头,t时刻到达船尾,上式两边乘以dt后积分,有
用S和s分别表示船和人相对于湖岸移动的距离,则有
图2.14 例2.10图
解 以pe、pν和pN分别表示电子、中微子和新原子核的动量,且pe和pν相互垂直,如图2.14所示.在原子核衰变的短暂时间内,粒子间的内力远大于外界作用于该粒子系统的外力,故粒子系统在衰变前后的动量是守恒的.考虑到原子核在衰变前是静止的,所以衰变后电子、中微子和新原子核的动量之和应为零,即
由于pe和pν相互垂直,有
代入数据
图中的α角为
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