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即外力为质点系提供的冲量和等于质点系的动量增量,这就是质点系动量定理.因为时间是公共的,所以外力冲量和等于合外力F合外冲量,即有
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即质点系所受合外力等于质点系动量对时间的变化率.
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质点动量定理在形式上也可视为质点系动量定理特例,动量定理在所有惯性系都有相同的表达形式.需要注意,质点速度、质点系动量可随惯性系变化,但质点系动量增量是惯性系不变量,冲量也是惯性系不变量.
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非惯性系中,可以在真实力提供的冲量之外,形式上增添惯性力提供的冲量,那么非惯性系中在数学形式上也可进行类似的讨论和展开.例如质点系动量定理的微分式为
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其中dI惯是各质点所受惯性力在dt时间内提供的冲量和.
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2.5.2 动量守恒定律
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惯性系中,如果质点系在经历某一个力学过程中合外力始终为零,那么据(2.34)式,过程中质点系动量恒定不变,过程中不随时间变化的量称为守恒量,便有
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(2.34)是矢量式,在每一个空间方向上都有相应的分量式,例如
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于是又有分量单独守恒的可能情况,即
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质点系动量守恒式或动量分量守恒式是质点系动量定理在特殊情况下的表现.
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至此,动量定理及其特殊情况下的动量守恒,都是在牛顿第二、三定律基础上展开后的结果.以前曾经指出,两个带电质点各自受力未必能成为第三定律意义下的一对作用力与反作用力,包含这种类型质点的质点系,其动量定理便需在第三定律之外作补充讨论.牛顿时代之后发现了各种场物质,场物质也有动量,它们之间以及它们与实物粒子之间相互作用的一种表现便是交换动量.如果说粒子从与其接触的场物质中获得动量dp,那么场物质必定失去动量dp,或者说场物质从粒子处获得动量-dp.用这种动量交换守恒关系取代牛顿第三定律,对由任何类型物质构成的物质系统均可讨论其动量变化原因与变化结果之间的关系.可以理解,这一关系的本质内容就是外界物质与讨论的物质系统间动量交换的守恒关系.
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如果一个物质系统与外界无相互作用,那么它的动量必定守恒.这就是在牛顿力学之上更为普遍的物质系统动量守恒定律.
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迄今物理学界公认,无论会有何种形式物质发现,动量守恒定律将仍然成立.
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顺便一提,规范而言,物理学科中常将由实验得到的,或者不可从理论上演绎获得的规律或假设称为定律或原理,由它们推演而得的称为定理.
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(2.35)式既然是普遍的物质系统动量守恒定律在牛顿力学质点系中的表现,在力学中也就常称其为质点系动量守恒定律,或者简单地称为动量守恒定律.
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例12 水平地面上竖立一根高H的绝缘固定圆直管道,周围有水平匀强磁场B,管道上端有一质量m、电量q>0的带电小球,从静止开始落入管内,因运动而受的磁场力为F=qv×B.设小球截面积略小于管道内腔截面积,小球与管道内壁之间的摩擦因数为μ.
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(1)计算小球在落到地面前的全过程中给管道的冲量大小I;
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(2)已知小球触地前瞬间的加速度大小为0.99g,试求H.
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