第十六章 动量和动量定理详解

动量和动量定理 个人还是比较喜欢物理学史，所以在我了解的知识范围内尽可能的多穿插一点历史故事，可能对引发读者对物理学习的兴趣会有所帮助。 著名物理学家普朗克曾经说过：在科学史中，一个新概念从来都不会是是一开头就以其完整的最后形式出现，像古希腊神话中的雅典娜从宙斯的头里跳出来一样。 任何物理定义和新概念的出现都是经过一定时间的累积的，期间包含了众多学者的心血。 动量最初起源于经典力学，在进入20世纪后，当人们的研究对象从实际物体延伸到“场”这样的特殊物质后，动量的概念被延伸至电磁场理论中，并衍生出电磁动量守恒和电磁角动量守恒。后续又由于相对论和量子理论建立后，又衍生出量子系统和相对论系统的动量守恒和角动量守恒。 那么最初的动量概念起源什么何时何地呢？ 起源背景：欧洲文艺复兴时期。这场运动让欧洲人的思想像脱缰的野兔一样，在自由的学术宇宙中不停的运动，碰撞。 思考起源：生活周围的绝大多数运动的物体最后都会趋于静止，那么宇宙中所有的物体的运动量总和是不是也会减少？然后经过对宇宙天体的千百年观察，发现并没有停止或者趋于停止的迹象。于是，科学家们试图找出一个普遍的物理量来作为物体运动的量度。 历程： 1、伽利略。意大利前锋，扛大旗，吹响进攻的小喇叭。他通过对落体运动和打击现象的研究在1638年最早提出动量的概念。并给出了动量的定义：动量等于速度和重量的乘积（当时的重量和质量是一个概念）。 2、笛卡尔。法国帅哥，解析几何之父，一个被数学耽误的物理学家。听到伽利略吹响的喇叭后出发了。从碰撞实验中也总结出描述物体运动的量度是动量并于1644年给出动量的定义：运动的质量（当时同重量）和速度的乘积就是该物体运动的量度，并称之为“运动的量”。笛卡尔的贡献还在于他提出了“运动量守恒”的思想，第一次明确指出运动不灭原理。但是由于物质的“质量”概念尚未建立和对速度的方向性（矢量）认识不足，所以笛卡尔提出的动量概念意义还不十分明确。 3、惠更斯。荷兰帅哥，从人物肖像画来看的确符合本人的审美，俊啊！大半生与牛顿相爱相杀。惠更斯在笛卡尔的影响下对物体的碰撞作了非常细致的实验和理论研究，强调了动量的矢量性，并将物体的动量定义为：物体的质量和速度（矢量）的乘积。但是由于所处时代的局限，惠更斯没有一个明确的质量概念，常把重量与质量的概念混用。 4、牛顿。经典力学中跺一跺脚，就能引发学界大地震的牛逼人物。总结前人关于动量的研究后，在1687年得出至今公认的动量概念和定义。首次十分明确地定义了质量和重量这两个物理量，将这两个长期混为一谈的最基本的物理概念严格的区分开来。著名的牛顿第二定律最初就是用动量的概念来表述的。其数学形式为，文字理解：物体所受的外力等于其动量的变化率，力的方向与动量变化方向一致。这里顺便在介绍一个人，奥地利科学家马赫。马赫作为单位可能有听说过，一倍的声速就是1马赫，目前最快的飞机飞行速度可达3.5马赫。这个马赫算是牛顿的小迷弟了，因为当时牛顿对动量的描述用了很多的微积分，比较难懂，他为了普及和推广牛顿力学的应用，改写了牛顿第二定律的形式，把质量m从微分号内提了出来，免去了微分运算，最终F=ma得以呈现。这么做虽然当时确实对力学的发展起了巨大的推动作用，但是却也误解了牛顿的最初思想。因为虽然经典力学中m是不变的，故，但是在相对论中m是变化的，特别是理解牛顿力学与狭义相对论间的正确关系造成了深远的影响。动量定理不是牛顿定律的产物，而是以实验为基础总结出来的自然实验科学产物。而牛顿当初之所以不做马赫的这一步操作，也许是没想到，也许是想到了，但冥冥之中预感到物理学未来的发展，于是就在自己的伟大发现中留下了一条耐人寻味 ... ...