🚀 物理

🎳动量

质量乘速度的「运动存货」——碰撞时总量分毫不差地交接,安全气囊靠拖长时间救人性命。

同样以 10 m/s 飞来,乒乓球伸手就能接住,保龄球最好闪开。速度一样,「运动的劲头」却天差地别——差在质量。物理学家给这股劲头起了名字:动量。它是本课的主角,也是从速度迈向碰撞世界的关键一步。

动量等于质量乘速度

p=mvp = mv

单位是 kg·m/s。60 kg 的人以 8 m/s 跑步,动量是 480 kg·m/s;2.7 g 的乒乓球以 10 m/s 飞,动量只有约 0.03 kg·m/s;6 kg 的保龄球只要 2 m/s,动量就是 12 kg·m/s——约是乒乓球的 400 倍。还有一件速度没有的东西:方向。动量是矢量,向右的 5 kg·m/s 记作 +5,向左的记作 −5,正负号不是装饰,是账本的一部分。

互动演示碰前读表台
AB0 m100 m用时: 0.0 s

s = v·t → A: 6×0.0 = 0.0 m · B: 4×0.0 = 0.0 m

调两个滑块,看 A、B 以不同速度冲向 100 米终点。现在给它们想象质量:让 A 是载重卡车、B 是自行车,同速时谁的动量大?质量小的想追平动量,得把速度拉高多少?读出速度、乘上假想的质量,碰撞发生前,谁带着更多「运动存货」一目了然。

碰撞前后,总量不变

两物相撞,动量从一方传到另一方,但总量不变。原因藏在那一课:碰撞中每一对作用力与反作用力大小相等、方向相反,A 丢掉的动量恰好是 B 捡到的那份,账面一进一出,总和纹丝不动。这条守恒律对台球、车祸、火箭一视同仁——火箭向后喷气,把动量交给气体,自己带着等量的反向动量前进。

两车合并

2 kg 的小车以 5 m/s 撞上静止的 3 kg 小车,碰后粘在一起。碰前总动量 =2×5+3×0=10= 2 \times 5 + 3 \times 0 = 10 kg·m/s。碰后两车共 5 kg,设共同速度 vv5v=105v = 10,得 v=2v = 2 m/s,方向照旧向前。慢了,但一点没丢。

拖长时间,力就变小

安全气囊、汽车的溃缩区、接球时把手往后收、跳地时屈膝——它们做的是同一件事:延长动量归零所用的时间。人的动量变化量是固定的(从车速减到 0),而动量变化量 = 平均力 × 时间。时间拉长几倍,平均力就缩小几倍。硬撞在 0.01 秒内完成「刹车」,力大得吓人;气囊把 0.01 秒拖成 0.1 秒,受力只剩十分之一。保命的不是气垫软,是账拖得久。

动量与动能,一句话分清

动量 mvmv 是矢量、认方向,在碰撞中守恒;动能 12mv2\frac{1}{2}mv^2 是标量、只问大小,与做功本领挂钩(见能量)。上面两车合并就是现成的反例:碰前动能 12×2×52=25\frac{1}{2} \times 2 \times 5^2 = 25 J,碰后 12×5×22=10\frac{1}{2} \times 5 \times 2^2 = 10 J,少掉的 15 J 变成了热和声音——动能并不守恒。一个记「运动往哪个方向流」,一个记「运动值多少钱」。

动手检验

随堂小测

  1. 1. 动量的单位是?

  2. 2. 2 kg、5 m/s 的小车撞上静止的 3 kg 小车并粘住,共同速度是?

  3. 3. 安全气囊能保人,是因为它?