牛頓動(dòng)量定理是牛頓運(yùn)動(dòng)定律之一,表述為:一個(gè)物體在一個(gè)外力場的作用下所獲得的動(dòng)量p(動(dòng)量是一個(gè)矢量,包括大小和方向)與外力F(包括大小和方向)成正比,與物體的質(zhì)量m(質(zhì)量是物體的屬性)成反比。這個(gè)定理可以用數(shù)學(xué)表達(dá)式 F·t = m·v 來表示,其中v是物體的速度,t是時(shí)間。
牛頓動(dòng)量定理可以解釋許多常見的物理現(xiàn)象,例如物體在撞擊地面時(shí)的反沖運(yùn)動(dòng),物體在旋轉(zhuǎn)時(shí)的角動(dòng)量等等。此外,它還可以用于計(jì)算物體在受到外力作用后的速度變化,以及用于研究物體的碰撞、振動(dòng)和旋轉(zhuǎn)等動(dòng)力學(xué)問題。
需要注意的是,牛頓動(dòng)量定理只是描述了動(dòng)量和力之間的關(guān)系,并沒有說明力的具體來源和性質(zhì)。因此,在應(yīng)用牛頓動(dòng)量定理時(shí),還需要考慮其他物理定律和規(guī)律,如牛頓第二定律和質(zhì)量守恒定律等。
題目:
一個(gè)質(zhì)量為 m 的小球,以初速度 v_0 撞向一個(gè)靜止的、質(zhì)量也為 m 的大球。假設(shè)碰撞是彈性的(即碰撞后兩個(gè)球會(huì)以原速率反彈)。
解答:
根據(jù)牛頓動(dòng)量定理,我們有 F Δt = Δp,其中 F 是沖量,Δt 是時(shí)間間隔,Δp 是動(dòng)量的變化。在這個(gè)問題中,兩個(gè)球都只受到彼此的沖量。
首先,我們設(shè)小球的初始動(dòng)量為 p_0 = m v_0,大球的動(dòng)量為零(因?yàn)樗谂鲎睬笆庆o止的)。
碰撞后,小球的動(dòng)量變?yōu)?p_1 = -m v_0(因?yàn)榉磸椓耍笄虻膭?dòng)量變?yōu)?p_2 = m v_0。
因此,我們有 p_1 - p_2 = ( -m v_0) - m v_0 = 0,即兩個(gè)球的動(dòng)量變化為零。
現(xiàn)在,假設(shè)我們用牛頓動(dòng)量定理來求解這兩個(gè)球之間的相互作用力。根據(jù)牛頓第三定律,每個(gè)力都有一個(gè)大小相等、方向相反的反作用力。因此,大球會(huì)給小球一個(gè)大小相等、方向相反的反作用力,大小為 F。
由于小球反彈了,所以這個(gè)力必須等于小球的動(dòng)量變化率。因此,我們有 F = ( -m v_0) / Δt = m v_0 / Δt。