动量

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2个分类: 物理量 | 经典力学

在物理学中，动量是与物体的质量和速度相关的物理量。

在经典力学中，动量（国际单位制中的单位为kg m/s）表示为物体的质量和速度的乘积。有关动量的更精确的量度的内容，请参见本页的动量的现代定义部分。

一般而言，一个物体的动量指的是这个物体在它运动方向上保持运动的趋势。动量实际上是牛顿第一定律的一个推论。

动量是一个守恒量，这表示为在一个封闭系统内动量的总和不可改变。

[编辑] 经典力学中的动量

物体在任何一个参考系中运动时，它都具有在该参考系中的动量。需要注意的是，动量是一个参考系决定量。也就是说，同一个物体在一个参考系中具有确定的动量，但在另一个参考系中却有可能具有不同的动量。

物体动量的数值取决于两个物理量的数值：运动物体在参考系中的质量与速度。在物理学中，动量以小写的p（黑体代表“p”是一个矢量）表示，动量的定义如下:

$\mathbf{p} = m\mathbf{v}$

动量对时间的一阶导数的定义如下:

${\frac {d \mathbf{p}}{dt}} = \frac {d \mathbf{(m*v)}}{dt} = m \frac {d \mathbf{v}}{dt}+v \frac {d \mathbf{m}}{dt}$

其中p為動量，t為時間，d為微分算符。由于在非相对论情形下， $\frac {d \mathbf{m}}{dt}$ 近乎零，所以，常将动量对时间的一阶导数简写作

${\frac {d \mathbf{p}}{dt}} = m \frac {d \mathbf{v}}{dt}$

一个物体的速度包括了该物体的速率与运动方向。因为动量由速度决定，所以动量也具有数量与方向，是一个空间矢量。例如，要表示出5 kg的保龄球的动量的话，可以以它有以2m/s的速率向西运动的状态来说明；但是，只认为该保龄球具有10 kg m/s的动量的想法是不全面的，因为没有表示出它的运动方向。

[编辑] 碰撞中的动量守恒

动量具有一个特殊属性：只要是在一个封闭系统中，它总会保持恒定，即使是物体碰撞发生时。而对动能而言，非弹性碰撞的物体的动能将不会守恒。因此，当碰撞过后可利用动量守恒来计算未知速度。

在物理学上，这个特殊属性被用来来解决两个相碰物体的问题。因为动量始终保持恒定，碰撞前动量的总和一定与碰撞后动量的总和相等：

$m_1 \mathbf v_{1,i} + m_2 \mathbf v_{2,i} = m_1 \mathbf v_{1,f} + m_2 \mathbf v_{2,f} \,$

其中，i表示碰撞前的初量，f表示碰撞后的末量。

通常来说，我们只需知道碰撞前（或碰撞后）物体的速度便可计算出碰撞后（或碰撞前）物体的速度。要正确解决这个问题意味着你必须知道将会发生的怎样的碰撞。碰撞有两种类型，两种类型中动量都保持恒定：

弹性碰撞中，动能保持恒定
非弹性碰撞中，动能不保持恒定

[编辑] 弹性碰撞

主条目：彈性碰撞

弹性碰撞的一个较好的例子是两个台球之间的碰撞。当两个球相碰时，除了动量保持恒定外，碰撞前后动能的总和也将保持不变：

$\begin{matrix}\frac{1}{2}\end{matrix} m_1 v_{1,i}^2 + \begin{matrix}\frac{1}{2}\end{matrix} m_2 v_{2,i}^2 = \begin{matrix}\frac{1}{2}\end{matrix} m_1 v_{1,f}^2 + \begin{matrix}\frac{1}{2}\end{matrix} m_2 v_{2,f}^2 \,$

因为每个因式中都含有系数 $\begin{matrix}\frac{1}{2}\end{matrix}$ ，所以亦可将该系数移除。

[编辑] 正碰（一维）

在两个物体正碰的情况下，我们可以得出最终的速度为：

$v_{1,f} = \left( \frac{m_1 - m_2}{m_1 + m_2} \right) v_{1,i} + \left( \frac{2 m_2}{m_1 + m_2} \right) v_{2,i} \,$

$v_{2,f} = \left( \frac{2 m_1}{m_1 + m_2} \right) v_{1,i} + \left( \frac{m_2 - m_1}{m_1 + m_2} \right) v_{2,i} \,$

可被整理为： $M 1 U 1 + M 2 U 2 = M 1 V 1 + M 2 V 2$

[编辑] 动量守恒定律

主条目：动量守恒定律

就目前所知而言，动量是一个守恒量。动量守恒（有时也叫作冲量守恒）定律表示为：一个系统不受外力或者所受外力之和为零，这个系统中所有物体的总动量保持不变。它的一个推论可表示为：在没有外力干预的情况下，任何系统的质心都将保持匀速直线运动或静止状态不变。

动量守恒定律是空间齐性的一个推论。

在隔离系统（不存在外力）中总动量将是一个恒量——这暗含在牛顿运动第一定律之中。牛顿运动第三定律——即作用和反作用力定律，认为系统间的作用力和反作用力总是大小相等，方向相反——这可由动量守恒定律而得知。

因为动量是具有方向的矢量，所以子弹从起先静止的枪中射出后，尽管子弹和枪都在运动，但由于子弹的动量与枪的动量等值反向——它们相互抵消——使得子弹与枪形成的系统中动量的总和依然为零。

[编辑] 动量的现代定义

[编辑] 相对论力学中的动量

在相对论力学中，动量被定义为：

$\mathbf{p} = \gamma m\mathbf{v}$

其中

m

表示运动物体的静止质量；

$\gamma = \frac{1}{\sqrt{1 - u^2/c^2}}$ ,

u表示物体与观察者之间的相对速度；

c表示光速。

当物体在低速极限（v/c -> 0）下运动时，相对论力学的动量式可变化为牛顿力学的动量式： $m\mathbf{v}$ 。

阿尔伯特·爱因斯坦由洛伦兹变换下的四维矢量守恒发展提出了相对论的四维动量。其中四维矢量可从量子场理论使用格林函数自然导出。四维动量被定义为：

$\left( {E \over c} , p_x , p_y ,p_z \right)$

其中， $p x$ 表示相对论动量的x分量，E表示系统的总能量：

$E = \gamma mc^2 \;$

令速度等于零，可得到一个物体的静止质量和能量之间的关系E=mc²。

矢量的“长度”保持恒定被定义为：

$\mathbf{p} \cdot \mathbf{p} - E^2/c^2$

[编辑] 无质量物体的动量

无质量物体，譬如光子亦有动量。计算的公式为：

$p = \frac{h}{\lambda} = \frac{E}{c}$

其中

h表示普朗克常量；

λ表示光子的波长；

E表示光子的能量；

c表示光速。

[编辑] 动量的普适性

动量是平移守恒的诺特荷。因此，甚至连场也与其他物质一样具有动量，而不止是粒子。但是，在弯曲时空（非闵可夫斯基式）中，动量根本没有被定义。

[编辑] 量子力学中的动量

在量子力学中，动量被定义为波函数的一个算符。海森堡不确定性原理定义了单一观测系统中一次测定动量和位置的精确极限。在量子力学中，动量与位置是一对共轭物理量。

对单个不带电荷且没有自旋的粒子来说，动量算符可被写作：

$\mathbf{p}={\hbar\over i}\nabla=-i\hbar\nabla$

其中， $\nabla$ 表示梯度算符。这是动量算符的一个普通形式，而非最普遍的一个。

[编辑] 电磁学中的动量守恒

当电场和/或磁场移动时，它们带有动量。电磁波（可见光、紫外线、无线电波等）也有动量，即使是没有质量的光子，也同样带有动量。这被应用在诸如太阳帆上。

[编辑] 参看条目

[编辑] 参考文献

[编辑] 外部链接

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