第一章 · 第二节
动量守恒定律
系统与内力外力 · 动量守恒 · 碰撞问题

📖 知识点学习

🎯 学习目标

  • 理解系统、内力、外力的概念
  • 掌握动量守恒定律的内容及适用条件
  • 能用动量守恒定律分析碰撞问题
  • 理解动量守恒定律的矢量性
知识点一:系统、内力与外力
⚡ 基本概念
系统:相互作用的几个物体组成的整体。
内力:系统内部各物体之间的相互作用力。
外力:系统外部其他物体对系统内部物体的作用力。
内力总是成对出现(作用力与反作用力),它们的总冲量为零,不改变系统的总动量。
💡 内力与外力的相对性
内力和外力是相对的,取决于系统的划分。例如研究 A、B 两球碰撞时,A、B 间的作用力是内力;若只研究 A 球,则 B 对 A 的力就是外力。划分不同系统,内、外力随之改变。
知识点二:动量守恒定律
📐 定律内容
如果一个系统不受外力,或者所受外力的矢量和为零,这个系统的总动量保持不变。

表达式:p1 + p2 = p1′ + p2
即 m1v1 + m2v2 = m1v1′ + m2v2
动量守恒
Σp
p₁+p₂ = p₁′+p₂′
F合外 = 0
系统动量
p
p = Σmᵢvᵢ
保持不变
💡 适用条件与矢量性
  • 严格条件:系统不受外力或所受外力之和为零
  • 近似条件:内力远大于外力时(如碰撞、爆炸),系统动量近似守恒
  • 单方向守恒:若某方向合外力为零,则该方向动量守恒
  • 矢量性:动量守恒是矢量关系,一维问题要先规定正方向,注意速度的正负号
  • 同时性:方程中各速度必须是同一时刻(碰前或碰后同一瞬间)的速度
知识点三:碰撞问题
⚖️ 碰撞的分类
弹性碰撞:动量守恒、动能也守恒(如台球碰撞)。
非弹性碰撞:动量守恒、动能不守恒(部分动能转化为内能)。
完全非弹性碰撞:碰后粘在一起以共同速度运动,动能损失最大,但动量仍守恒。
💡 碰撞的共同特点
无论哪种碰撞,只要系统所受合外力为零(或内力远大于外力),动量都守恒。碰撞过程时间极短、内力很大,重力、摩擦力等外力相对可忽略,故碰撞中常用动量守恒定律。

🎬 动画讲解

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🧪 互动实验:碰撞中动量守恒

💡 拖动滑块改变两球的质量与初速度,观察碰撞前后的总动量是否守恒
⚙️ 实验参数
碰前总动量 6.0 kg·m/s
碰后总动量 6.0 kg·m/s
动量是否守恒 守恒 ✓
📋 实验结论
两球在水平方向不受外力(或外力可忽略),碰撞前后系统的总动量保持不变。这正是动量守恒定律的体现。 无论两球质量、速度如何变化,只要系统所受合外力为零,总动量始终守恒——这是自然界最基本的守恒定律之一。

📝 例题精讲

💡 提示:点击「下一步」按钮,逐步查看详细解题过程
例题 1 完全非弹性碰撞
质量为 m₁ = 2 kg 的小球以 v₁ = 4 m/s 的速度与静止的 m₂ = 2 kg 小球发生正碰并粘在一起,求碰后共同速度 v。
🔍 解题过程
1 判断守恒:两球在水平方向不受外力,系统动量守恒。取 v₁ 方向为正方向。
2 列方程:碰前总动量 p = m₁v₁ + m₂v₂ = 2kg×4m/s + 2kg×0 = 8 kg·m/s;碰后两球共同速度 v,p′ = (m₁+m₂)v。
3 求解:由 m₁v₁ = (m₁+m₂)v,得 v = 8kg·m/s / (2kg+2kg) = 2 m/s,方向与 v₁ 相同。
✅ 碰后共同速度为 2 m/s,方向沿原 v₁ 方向。这是完全非弹性碰撞,动能损失最大,但动量守恒。
例题 2 一般碰撞求速度
质量为 m₁ = 1 kg 的物体以 v₁ = 6 m/s 与同向运动的 m₂ = 2 kg、v₂ = 3 m/s 的物体发生正碰,碰后 m₁ 以 v₁′ = 2 m/s 仍沿原方向运动,求 m₂ 碰后的速度 v₂′。
🔍 解题过程
1 规定方向与守恒判断:取初速度方向为正方向。碰撞过程内力远大于外力,动量守恒。
2 列方程:m₁v₁ + m₂v₂ = m₁v₁′ + m₂v₂′,代入:1kg×6m/s + 2kg×3m/s = 1kg×2m/s + 2kg×v₂′。
3 求解:6 + 6 = 2 + 2v₂′,即 12 = 2 + 2v₂′,得 v₂′ = 5 m/s,方向沿原方向。
✅ m₂ 碰后速度为 5 m/s,方向沿原运动方向。注意动量守恒方程中各速度必须取同一正方向下的代数值。

🚀 拓展提升

📜 动量守恒定律的地位

动量守恒定律是自然界最普遍、最基本的守恒定律之一。它比牛顿运动定律更普遍——在微观粒子领域、高速运动(接近光速)领域,牛顿定律不再适用,但动量守恒定律依然成立。它与空间平移对称性相对应(诺特定理)。

🔍 三种碰撞的能量

弹性碰撞:动量守恒、动能守恒;非弹性碰撞:动量守恒、动能有损失;完全非弹性碰撞:动量守恒、动能损失最大。无论哪种情况,只要合外力为零,动量都守恒。损失的动能转化为内能(发热)、形变等。

⚙️ 单方向动量守恒

当系统所受合外力不为零,但某一方向上合外力为零(或外力可忽略)时,该方向上动量守恒。例如炮弹爆炸时竖直方向受重力、水平方向不受外力,故水平方向动量守恒,可由此求碎片速度。

✏️ 练习巩固

💡 提示:每道题作答后会立即显示解析,请认真思考后再作答
第 1 题 ★☆☆ 基础
关于动量守恒定律,下列说法正确的是?
A系统总动量在任何情况下都守恒
B系统不受外力或所受外力之和为零时动量守恒
C系统内力为零时动量守恒
D系统动能守恒则动量一定守恒
第 2 题 ★☆☆ 基础
动量守恒定律的表达式(两体系统)为?
AFt = Δp
Bm₁v₁ + m₂v₂ = m₁v₁′ + m₂v₂′
CW = ΔEₖ
DF = ma
第 3 题 ★★☆ 巩固
质量 2 kg 的物体以 4 m/s 与静止的 2 kg 物体发生完全非弹性碰撞并粘在一起,碰后共同速度为?
A4 m/s
B2 m/s
C1 m/s
D0 m/s
第 4 题 ★★☆ 巩固
下列情况中,系统动量近似守恒的是?
A子弹射入木块的过程
B两球碰撞过程
C汽车匀速直线运动
D自由落体运动
第 5 题 ★★★ 拓展
质量 m₁=1 kg 的物体以 v₁=6 m/s 与同向 m₂=2 kg、v₂=3 m/s 的物体正碰,碰后 m₁ 以 v₁′=2 m/s 沿原方向运动,求 m₂ 碰后速度 v₂′(m/s)。

🧠 知识点问答

老师来考考你!下面的问题都来自本节课的知识点,看看你掌握了多少。每次点击"再考一次"题目顺序都会随机打乱哦!
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课程完成!

恭喜你完成了「动量守恒定律」的学习!

📌 本节核心要点回顾:
① 系统:内力成对出现,不改变总动量
② 动量守恒:F合外=0 时 Σp 保持不变
③ 表达式:m₁v₁+m₂v₂=m₁v₁′+m₂v₂′
④ 矢量性:一维问题要先规定正方向
⑤ 碰撞中内力≫外力,动量近似守恒