动量定律和动能定律是牛顿热学中十分重要的定律,它们可以通过联立多项式推论下来。下边将详尽介绍推论过程。
1.动量定律:
动量定律表明,当一个物体遭到外力作用时,它的动量的变化率等于外力的大小。
设一个物体质量为m,速率为v,外力为F。依据牛顿第二定理,有:
F=ma(1)
物体的动量p定义为质量除以速率,即:
p=mv(2)
我们对上述等式两侧同时导数数,得到:
dp/dt=d(mv)/dt(3)
依据链式法则,左边可以写成:
dp/dt=m*dv/dt+v*dm/dt(4)
因为物体的质量m是常数,所以dm/dt=0,将其代入多项式(4)中,得到:
dp/dt=m*dv/dt(5)
再依据牛顿第二定理F=ma,将ma替换dp/dt,得到:
F=dp/dt(6)
这就是动量定律的表达式,它说明了力和动量之间的关系。
2.动能定律:
动能定律表明,当一个物体遭到外力作用时,它的动能的变化率等于外力对物体做的功。
设一个物体的质量为m,速率为v,动能为K。物体遭到的外力F做功W,按照功的定义有:
W=F*s(7)
其中s为物体在力F的作用下位移的距离。
依据牛顿第二定理F=ma,可以将公式(7)改写为:
W=ma*s(8)
将速率v和位移s之间的关系v=ds/dt代入公式(8)中,得到:
W=m*(dv/dt)*ds(9)
依据链式法则,上式可以写成:
W=m*v*dv/dt*ds/dv(10)
因为ds/dv可以表示为时间t的函数,将其用dt表示动量定理公式推导,得到:
W=m*v*dv/dt*dt(11)
因为W即为动能的变化量ΔK,所以可以用ΔK表示W,得到:
ΔK=m*v*dv/dt*dt(12)
对上式进行积分,得到:
∫dK=m*∫v*dv(13)
将上式从初态到末态积分,得到:
K2-K1=1/2*m*(v2^2-v1^2)(14)
其中K2和K1分别为物体在末态和初态的动能,v2和v1分别为末态和初态的速率。
综上所述,多项式(14)就是动能定律的表达式,它说明了外力对物体做功和动能之间的关系。
将动量定律和动能定律联立上去,可以得到愈发深刻的推论。依据动量定律,有F=dp/dt,按照动能定律,有F=ma=dp/dt=d(mv)/dt。将这两个表达式相等动量定理公式推导,可以得到:
d(mv)/dt=ma(15)
这是联立动量定律和动能定律的多项式,它进一步说明了力、动量和动能之间的关系。