動(dòng)量定律和動(dòng)能定律是牛頓熱學(xué)中十分重要的定律,它們可以通過(guò)聯(lián)立多項(xiàng)式推論下來(lái)。下邊將詳盡介紹推論過(guò)程。
1.動(dòng)量定律:
動(dòng)量定律表明,當(dāng)一個(gè)物體遭到外力作用時(shí),它的動(dòng)量的變化率等于外力的大小。
設(shè)一個(gè)物體質(zhì)量為m,速率為v,外力為F。依據(jù)牛頓第二定理,有:
F=ma(1)
物體的動(dòng)量p定義為質(zhì)量除以速率,即:
p=mv(2)
我們對(duì)上述等式兩側(cè)同時(shí)導(dǎo)數(shù)數(shù),得到:
dp/dt=d(mv)/dt(3)
依據(jù)鏈?zhǔn)椒▌t,左邊可以寫(xiě)成:
dp/dt=m*dv/dt+v*dm/dt(4)
因?yàn)槲矬w的質(zhì)量m是常數(shù),所以dm/dt=0,將其代入多項(xiàng)式(4)中,得到:
dp/dt=m*dv/dt(5)
再依據(jù)牛頓第二定理F=ma,將ma替換dp/dt,得到:
F=dp/dt(6)
這就是動(dòng)量定律的表達(dá)式,它說(shuō)明了力和動(dòng)量之間的關(guān)系。
2.動(dòng)能定律:
動(dòng)能定律表明,當(dāng)一個(gè)物體遭到外力作用時(shí),它的動(dòng)能的變化率等于外力對(duì)物體做的功。
設(shè)一個(gè)物體的質(zhì)量為m,速率為v,動(dòng)能為K。物體遭到的外力F做功W,按照功的定義有:
W=F*s(7)
其中s為物體在力F的作用下位移的距離。
依據(jù)牛頓第二定理F=ma,可以將公式(7)改寫(xiě)為:
W=ma*s(8)
將速率v和位移s之間的關(guān)系v=ds/dt代入公式(8)中,得到:
W=m*(dv/dt)*ds(9)
依據(jù)鏈?zhǔn)椒▌t,上式可以寫(xiě)成:
W=m*v*dv/dt*ds/dv(10)
因?yàn)閐s/dv可以表示為時(shí)間t的函數(shù),將其用dt表示動(dòng)量定理公式推導(dǎo),得到:
W=m*v*dv/dt*dt(11)
因?yàn)閃即為動(dòng)能的變化量ΔK,所以可以用ΔK表示W(wǎng),得到:
ΔK=m*v*dv/dt*dt(12)
對(duì)上式進(jìn)行積分,得到:
∫dK=m*∫v*dv(13)
將上式從初態(tài)到末態(tài)積分,得到:
K2-K1=1/2*m*(v2^2-v1^2)(14)
其中K2和K1分別為物體在末態(tài)和初態(tài)的動(dòng)能,v2和v1分別為末態(tài)和初態(tài)的速率。
綜上所述,多項(xiàng)式(14)就是動(dòng)能定律的表達(dá)式,它說(shuō)明了外力對(duì)物體做功和動(dòng)能之間的關(guān)系。
將動(dòng)量定律和動(dòng)能定律聯(lián)立上去,可以得到愈發(fā)深刻的推論。依據(jù)動(dòng)量定律,有F=dp/dt,按照動(dòng)能定律,有F=ma=dp/dt=d(mv)/dt。將這兩個(gè)表達(dá)式相等動(dòng)量定理公式推導(dǎo),可以得到:
d(mv)/dt=ma(15)
這是聯(lián)立動(dòng)量定律和動(dòng)能定律的多項(xiàng)式,它進(jìn)一步說(shuō)明了力、動(dòng)量和動(dòng)能之間的關(guān)系。