什么是动量?物理概念存在的使命是有什么用!

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什么是动量?物理概念存在的使命是有什么用!

周小新(公众号:科学物理人)

最近正在教动量,对于动量和冲量的概念,显然学生会感觉比较抽象,至少从我个人的学习经历来看,冲量和动量是很抽象的概念,尤其是初学的时候。

科学物理人曾经说过,能够用自己的语言描述物理概念和物理规律,那么物理一定学的不差。于是,现在科学物理人碰到这样一个问题:怎么用科学物理人的语言描述动量这个概念?

我不能说动量就是质量乘以速度,那显得很没水平,而且就是废话。可是,除了这句话,我还能说啥呢?
其实类似的问题很多,我想,有的时候还真的不是很好回答。

比如什么是力?这个概念看起来学生都理解,力无非就是物体与物体之间的相互作用嘛,可是真的是这样吗?要是两个人抱在一起,那相互作用可多了,绝对不仅仅只有我们说的“力”,其实要讲清楚力还真不简单。可是,为啥很少有学生问这个问题呢?因为,它与我们的生活经验比较吻合,所以就算是初中生学起来也基本没大的困难。

再比如,什么是能量?学习功和能这一部分的是,学生学习的困难往往是各种功能关系搞不清楚,各种过程选不清楚,几乎很少学生会对什么是能量这个感到疑惑。虽然,这绝对不是一个简单的问题,但是,他们日常生活中就接触这个概念,多吃饭,补充能量,吃巧克力补充能量,喝脉动补充能量。学生有太多的关于能量的生活经验。生活照他们也经常接触功这个概念(其实有的是生活中的概念会害人),比如学习用功,下狠功夫,学生往往潜意识里就会讲做功与干活联系起来。什么是功?这个问题也少有学生问。

还有什么是质量?这自然是一个很难讲清楚的问题,至少在高中阶段是这样的,但是,同样的,因为生活中有太多太多的经验,几乎没有学生会问这个问题。能正经的问什么是力、什么是能量、什么是质量的学生,绝对不是一般的学生。能回答好这几个问题的老师,也不是一般的老师,至少对于高中老师来说,真的很难回答。

类似的比如速度、周期等,也很少有学生会问什么是速度?什么是周期?虽然这几个问题高中老师回答起来还算简单。其实,这是因为生活的经验让学生觉得这些概念不难理解,这就是个假象,但往往我们需要这样的假象,不然就没办法教书了,也没办法学习了,当然天才除外。

但是,问什么是动量?什么是冲量?的学生可不少,就算不问,我想也有很多学生对这两个概念有排斥的心理。这是啥东西啊?我们学它干啥啊?我一点感觉都没有。为啥吃了没事干要把质量和速度拼在一起?吃了没事干要把力和时间拼在一起?

经常还有一句话,说啥冲量就是力在时间上的积累,这这这,这是啥啊?什么叫做力在时间上的积累?我想,肯定有很多同学会对此感到不解。

科学物理人也遇到了这样的问题,怎么办?如何说清楚这件事?

我觉得,首先要对物理概念的抽象性要有一个认识,我个人认为,几乎所有的物理概念都是抽象的,类似力、能量、质量这类看起来不抽象的概念其实也是抽象的,我们觉得不抽象只是经验的错觉。

当然,这并没有解决问题啊。那么,我想说的是,对于一个物理概念,我们更多的应该是关注这个概念有什么用,能解决什么问题,这才是关键。任何一个物理概念的提出,绝对不是为了增加学习物理的困难,它一定是为了降低人们对客观世界认识的困难提出来的,换句话说,一个物理概念的提出,一定是为了解决问题,这是它的使命,也是物理概念存在的价值。我想,如果大家能够认同这一点,那么对动量和冲量的概念应该就会更有感觉。

我们具体说一说动量和冲量的概念。其实就是人们发现仅仅依靠牛顿定律有很多问题很难解决,F=ma这是一个瞬时关系,虽然原则上可以解决所有的宏观低速问题,但实际操作起来太难。于是人们就想着寻找新的思路。有一天,人们发现这样一件事情,那就是:

Ft=mv2-mv1

人们看出来,这个式子可以比较简单的搞定一些F=ma不太容易搞定的事情,那么,这个式子的地位自然就高了,我们自然就要给这里的Ft和mv命名,这就有了冲量和动量的概念,这个式子也就要有个名字了,取名为动量定理。

当然,关于动量的概念,还有一种思路就是,从寻找守恒量的角度来提出(物理学人看到守恒量就像狼嗅到猎物一样兴奋),人教版课本上就是从寻找守恒量的角度提出动量p=mv的概念的,因为实验中发现碰撞过程中m与v的乘积是守恒的。但是,仅仅从守恒量角度提出p=mv其实是不够的,比如就有人问,为啥动能前面有个½?那动量是不是也可以定义成p=½mv?因为如果mv守恒那0.3mv是不是也守恒?½mv自然也守恒。归结起来,还是因为上面的这个式子Ft=mv2-mv1,动量和冲量的概念,很大程度上就是依赖于这个式子的成立。

说了这么多,好像有点偏离主线。回到物理概念的实用性。我们现在不要过多的纠结于动量和冲量是啥,而应该将心思放在这个概念有什么用?在哪些问题中可以帮助我们很好的了解自然界。

如果,你觉得这样的回答还是不够,那我想说,动量和冲量具体是个啥,就包含在Ft=mv2-mv1之中。
最后,再次说一下我的观点:

一个是物理概念的提出和存在的使命就是有什么用,一定是为了方便我们了解自然界的规律。

二个就是很多物理概念的存在往往依赖于一些规律,好比,如果没有Ft=mv2-mv1,那就没有冲量和动量的概念了。

当然,我还想说一下,除非你是天才,否则,请不要在初学的时候就来问什么是质量,什么是力,什么是能量这样的概念(这几个概念的抽象程度绝对不低于动量和冲量),你先按照你的生活和学习经验理解就好了,对于在你已有的经验当中很难理解的概念,请你先把搞清楚它有什么用,怎么用就好了,其实等你搞清楚了它有什么用,怎么用之后,你也就能理解这个概念了,至少对这个概念会感到亲切很多,会觉得是有血有肉的概念,而不是干巴巴的东西。

动量和动量定理


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