从牛顿第二定律出发,由加速度、动量的定义可以得出动量定理:

F=m\frac{dv}{dt}\Rightarrow\Delta p=F\Delta t

假设变质量时仍然满足动量定理,讨论合外力为0的简单条件下得出动量守恒定律:

\Delta p=0

对火箭,设箭体的对地速度为v,喷射气体对地速度为u,建立变质量动量守恒有:

m(\vec{v}+\Delta\vec{v})+\vec{u}\Delta m-(m+\Delta m)\vec{v}=0

整理有:

m\Delta\vec{v}+(\vec{u}+\vec{v})\Delta m=0

注意u和v的方向相反,定义相对速度并改写标量方程有:

m\Delta v=v_{r}\Delta m

取变化时间无穷小并转换成微分方程有:

\frac{1}{v_{r}}dv=\frac{1}{m}dm

积分可得:

\int_{v_{0}}^{v}\frac{1}{v_{r}}dv=\int_{m_{0}}^{m}\frac{1}{m}dm\Rightarrow v-v_{0}=v_{r}(lnm-lnm_{0})

整理最终形式即有齐奥尔夫斯基火箭方程:

v=v_{0}+v_{r}ln\frac{m}{m_{0}}

注意:本文目的在于给高中生体验一下大学物理的乐趣,在很多地方上使用了数学上的巧合,并不严谨,甚至有科学性错误。切勿盲目跟风~