3 动量守恒定律

[学习目标] 1.了解系统、内力和外力的概念.2.理解动量守恒定律的确切含义、表达式和守恒条件.3.能用牛顿运动定律推导动量守恒定律的表达式，了解动量守恒定律的普遍意义.4.会用动量守恒定律解释生活中的实际问题．

一、系统、内力与外力

1．系统：相互作用的两个或多个物体组成一个力学系统． 2．内力：系统中物体间的相互作用力．

3．外力：系统外部的物体对系统内物体的作用力． 二、动量守恒定律

1．内容：如果一个系统不受外力，或者所受外力的矢量和为0，这个系统的总动量保持不变． 2．表达式：

m1v1＋m2v2＝m1v1′＋m2v2′(作用前后总动量相等)． 3．适用条件：系统不受外力或者所受外力的矢量和为零． [即学即用]

1．判断下列说法的正误．

(1)一个系统初、末态动量大小相等，即动量守恒．( × )

(2)两个做匀速直线运动的物体发生碰撞，两个物体组成的系统动量守恒．( √ ) (3)只要系统所受到的合力的冲量为零，动量就守恒．( √ ) (4)系统动量守恒也就是系统的动量变化量为零．( √ ) (5)只要系统内存在摩擦力，动量就不可能守恒．( × )

2．如图1所示，质量为m的小球A静止在光滑水平面上，质量为2m的小球B以速度v0与A碰撞后粘在一起，则粘在一起后A、B的共同速度v＝________.

图1

2答案 v0

3

一、对动量守恒定律的理解 [导学探究]

1．如图2所示，公路上三辆汽车发生了追尾事故．如果将甲、乙两辆汽车看做一个系统，丙车对乙车的作用力是________(“内”或“外”)力；如果将三车看成一个系统，丙对乙的力是________(“内”或“外”)力．

图2

答案 外 内

解析 内力是系统内物体之间的作用力，外力是系统以外的物体对系统内的物体的作用力．一个力是内力还是外力关键是看选择的系统．如果将甲和乙看成一个系统，丙车对乙车的力是外力；如果将三车看成一个系统，丙车对乙车的力是内力．

2.如图3所示，光滑水平桌面上质量分别为m1、m2的球A、B，沿着同一直线分别以v1和v2的速度同向运动，v2>v1.当B球追上A球时发生碰撞，碰撞后A、B两球的速度分别为v1′和v2′.试用动量定理和牛顿第三定律推导两球碰前总动量m1v1＋m2v2与碰后总动量m1v1′＋m2v2′的关系．

图3

答案 设碰撞过程中两球受到的作用力分别为F1、F2，相互作用时间为t.根据动量定理： F1t＝m1(v1′－v1)，F2t＝m2(v2′－v2)．

因为F1与F2是两球间的相互作用力，根据牛顿第三定律知，F1＝－F2， 则有：m1v1′－m1v1＝m2v2－m2v2′ 即m1v1＋m2v2＝m1v1′＋m2v2′

此式表明两球在相互作用前的总动量等于相互作用后的总动量，这就是动量守恒定律的表达式． [知识深化]

1．对动量守恒定律条件的理解：

(1)系统不受外力作用，这是一种理想化的情形．

(2)系统受外力作用，但所受合外力为零．像光滑水平面上两物体的碰撞就是这种情形． (3)系统受外力作用，但当系统所受的外力远远小于系统内各物体间的内力时，系统的总动量

近似守恒．例如，抛出去的手榴弹在空中爆炸的瞬间，弹片所受火药爆炸时的内力远大于其重力，重力完全可以忽略不计，系统的动量近似守恒．

(4)系统受外力作用，所受的合外力不为零，但在某一方向上合外力为零，则系统在该方向上动量守恒．

2．对动量守恒定律的理解：

(1)系统性：动量守恒定律的研究对象不是单一物体而是几个相互作用的物体组成的系统，动量保持不变并不是每个物体动量保持不变，而是系统总动量保持不变．

(2)矢量性：表达式p1＋p2＝p1′＋p2′是一个矢量式，其矢量性表现在：系统的总动量在相互作用前后不仅大小相等，而且方向也相同．求初、末状态系统的总动量时，如果各物体动量的方向在同一直线上，要选取正方向，将矢量运算转化为代数运算．

(3)相对性：动量守恒定律中，系统中各物体在相互作用前后的动量必须相对于同一惯性系，各物体的速度通常均为相对于地面的速度．

(4)同时性：动量守恒定律中p1、p2……必须是系统中各物体在相互作用前同一时刻的动量，p1′、p2′……必须是系统中各物体在相互作用后同一时刻的动量，不同时刻的动量不能相加．

(5)普适性：动量守恒定律不仅适用于两个物体组成的系统，也适用于多个物体组成的系统；不仅适用于宏观物体组成的系统，也适用于微观粒子组成的系统．

例1 (多选)如图4所示，A、B两物体质量之比mA∶mB＝3∶2，原来静止在平板小车C上，A、B间有一根被压缩的弹簧，地面光滑，当弹簧突然释放后，则下列说法正确的是( )

图4

A．若A、B与平板车上表面间的动摩擦因数相同，A、B组成的系统动量守恒 B．若A、B与平板车上表面间的动摩擦因数相同，A、B、C组成的系统动量守恒 C．若A、B所受的摩擦力大小相等，A、B组成的系统动量守恒 D．若A、B所受的摩擦力大小相等，A、B、C组成的系统动量守恒 答案 BCD

解析 如果A、B与平板车上表面间的动摩擦因数相同，弹簧释放后，A、B分别相对于小车向左、向右滑动，它们所受的滑动摩擦力FfA向右，FfB向左．由于mA∶mB＝3∶2，所以FfA∶FfB＝3∶2，则A、B组成的系统所受的外力之和不为零，故其动量不守恒，A选项错误；对A、B、C组成的系统，A、B与C间的摩擦力为内力，该系统所受的外力为竖直方向上的重力和支持力，它们的合力为零，故该系统的动量守恒，B、D选项正确；若A、B所受摩擦力大小

相等，则A、B组成的系统所受的外力之和为零，故其动量守恒，C选项正确．

1．动量守恒定律的研究对象是相互作用的物体组成的系统．判断系统的动量是否守恒，与选择哪几个物体作为系统和分析哪一段运动过程有直接关系．

2．判断系统的动量是否守恒，要注意守恒的条件是不受外力或所受合外力为零，因此要分清哪些力是内力，哪些力是外力．

3．系统的动量守恒，并不是系统内各物体的动量都不变．一般来说，系统的动量守恒时，系统内各物体的动量是变化的，但系统内各物体的动量的矢量和是不变的． 针对训练 下列情形中，满足动量守恒条件的是( )

A．用铁锤打击放在铁砧上的铁块，打击过程中，铁锤和铁块的总动量 B．子弹水平穿过放在光滑桌面上的木块的过程中，子弹和木块的总动量 C．子弹水平穿过墙壁的过程中，子弹和墙壁的总动量 D．棒击垒球的过程中，棒和垒球的总动量 答案 B

二、动量守恒定律的简单应用

1．动量守恒定律不同表现形式的表达式的含义：

(1)p＝p′：系统相互作用前的总动量p等于相互作用后的总动量p′.

(2)m1v1＋m2v2＝m1v1′＋m2v2′：相互作用的两个物体组成的系统，作用前的动量的矢量和等于作用后的动量矢量和．

(3)Δp1＝－Δp2：相互作用的两个物体组成的系统，一个物体的动量变化量与另一个物体的动量变化量大小相等、方向相反． (4)Δp＝0：系统总动量增量为零． 2．应用动量守恒定律的解题步骤：

例2 质量m1＝10 g的小球在光滑的水平桌面上以30 cm/s的速率向右运动，恰遇上质量为