守恒量

更新时间:2022-08-25 17:20

在经典力学里,对于一个动力系统,随着时间的演进,所有保持不变的物理量都称为守恒量(conserved quantity),又称为运动常数。由于很多物理定律会表达某种守恒行为,对应的守恒量时常会出现于真实系统。例如,假设在某系统内涉及的作用力保守力,则此系统的能量是守恒量。假设涉及的作用力是有心力,则此系统的角动量是守恒量。

动量

根据动量守恒定律,假若一个粒子所感受到的外力,其总矢量和为零,则这粒子的动量保持不变,是一个守恒量。在这状况下,粒子会呈匀速运动或者静止不变。以方程表达,假设粒子感受到的合外力为零:

根据牛顿第二定律,合外力与动量p的关系式为

所以,动量是一个常数,是一个守恒量。

角动量

根据角动量守恒定律,假若一个粒子所感受到的外力矩,其其总矢量和为零,则这粒子的角动量保持不变,是一个守恒量。在这状况下,粒子会呈匀角运动或直线运动。以方程表达,假设粒子感受到的合外力矩 为零:

合外力矩与角动量的关系式为

所以,角动量是一个常数,是一个守恒量。

能量

在经典力学里,粒子的能量定义为动能势能的代数和。根据能量守恒定律,假若一个粒子所感受到的外力都是保守力,则这粒子的能量保持不变,是一个守恒量。以方程表达,能量 E 为动能 T 与势能 V的代数和

E=T+V 。

粒子的动能与运动速度v的关系为

其中, m是粒子的质量

而对于保守系统,势能与净保守力F的关系为

能量对于时间的导数为

所以,能量是一个常数,是一个守恒量。

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