彈性碰撞後的速度公式

2021-01-20 物理教學


一、一動碰一靜」的彈性碰撞公式

問題:如圖1所示,在光滑水平面上,質量為m1的小球,以速度v1與原來靜止的質量為m2的小球發生對心彈性碰撞,試求碰撞後它們各自的速度?

圖1

設碰撞後它們的速度分別為v1'和v2',在彈性碰撞過程中,分別根據動量守恆定律、機械能(動能)守恆定律得:

m1v1=m1v1'+m2v2'                ①

           ②

由①              ③

由②             ④

由④/③                  ⑤

聯立①⑤解得

                 ⑥

                 ⑦

上面⑥⑦式的右邊只有分子不同,但記憶起來容易混。為此可做如下分析:當兩球碰撞至球心相距最近時,兩球達到瞬時的共同速度v共,由動量守恆定律得:

m1v1= (m1+m2) v共


解出v共=m1v1 /(m1+m2)。


而兩球從球心相距最近到分開過程中,球m2繼續受到向前的彈力作用,因此速度會更大,根據對稱可猜想其速度恰好增大一倍即,而這恰好是⑦式,因此⑦式就可上述推理輕鬆記住,⑥式也就不難寫出了。如果⑥式的分子容易寫成m2-m1,則可根據質量m1的桌球以速度v1去碰原來靜止的鉛球m2,碰撞後桌球被反彈回,因此v1'應當是負的(v1'<0),故分子寫成m1-m2才行。在「驗證動量守恆定律」的實驗中,要求入射球的質量m1大於被碰球的質量m2,也可由⑥式解釋。因為只有m1>m2,才有v1'>0。否則,若v1'<0,即入射球m1返回,由於摩擦,入射球m1再回來時速度已經變小了,不再是原來的v1'了。


另外,若將上面的⑤式變形可得:,

碰撞前兩球相互靠近的相對速度v1-0等於碰撞後兩球相互分開的相對速度。


由此可輕鬆記住  式。再結合m1v1=m1v1'+m2v2' 式也可很容易解得⑥⑦式。



二、一動碰一動」的彈性碰撞公式

問題:如圖2所示,在光滑水平面上,質量為m1、m2的兩球發生對心彈性碰撞,碰撞前速度分別為v1和v2,求兩球碰撞後各自的速度?

圖2

設碰撞後速度變為v1'和v2',在彈性碰撞過程中,分別根據動量守恆定律、機械能守恆定律得:

m1v1+m2v2=m1v1'+m2v2'            ①

    ②

由①            ③        

由②          ④       

由④/③               ⑤

由③⑤式可以解出

                 ⑥

                 ⑦


要記住上面⑥⑦式更是不容易的,而且推導也很費時間。如果採用下面等效的方法則可輕鬆記住。m1、m2兩球以速度v1和v2發生的對心彈性碰撞,可等效成m1以速度v1去碰靜止的m2球,再同時加上m2球以速度碰靜止的m1球。因此由前面「一動碰一靜」的彈性碰撞公式,可得兩球碰撞後各自的速度+;+,即可得到上面的⑥⑦式。

另外,若將上面的⑤式變形可得:,

碰撞前兩球相互靠近的相對速度v1- v2等於碰撞後兩球相互分開的相對速度。


由此可輕鬆記住式,再結合m1v1+m2v2=m1v1'+m2v2'    式可解得⑥⑦式。


例題:如圖3所示,有大小兩個鋼球,下面一個的質量為m2,上面一個的質量為m1,m2=3m1。它們由地平面上高h處下落。假定大球在和小球碰撞之前,先和地面碰撞反彈再與正下落的小球碰撞,而且所有的碰撞均是彈性的,這兩個球的球心始終在一條豎直線上,則碰後上面m1球將上升的最大高度是多少?

圖3

解法1

設兩球下落h後的速度大小為v1,則

v12=2gh                                ①

選向上為正方向,m2球與地面碰撞後以速度v1反彈並與正在以速度-v1下落的m1球發生彈性碰撞,設m1和m2兩球碰撞後瞬間的速度分別變為v1'和v2',在彈性碰撞過程中,分別根據動量守恆定律、機械能(動能)守恆定律得:    

m1(-v1)+m2v1=m1v1'+m2v2'          ②

         ③

將m2=3m1代入,得

2v1=v1'+3v2'                        ④

                         ⑤

由④⑤式消去v2'得:

故解出v1'=v1(捨去,因為該解就是m1球碰前瞬間的速度)

v1'=2v1                                             ⑥

設碰後上面球m1上升的最大高度為h',則

0-v1'2=-2gh'                     ⑦

聯立①⑥⑦式解出h'=4h。

解法2

在解法1中,列出②③式後,可根據前面介紹的用等效法得到的「一動碰一動」的彈性碰撞公式,求出m1球碰撞後瞬間的速度v1'。

選向上為正方向,m1、m2兩球分別以速度-v1和v1發生對心彈性碰撞,可等效成m1以速度-v1去碰靜止的m2球,再同時加上m2球以速度v1碰靜止的m1球。因此m1球碰撞後的速度+

將m2=3m1代入得v1'=2v1。

以下同解法1。

解法3

在解法1中,列出②③式後,也可根據前面介紹的用等效法得到的「一動碰一動」的彈性碰撞公式,求出m2球碰撞後瞬間的速度v2'。

選向上為正方向,m1、m2兩球以速度-v1和v1發生的對心彈性碰撞,可等效成m1以速度-v1去碰靜止的m2球,再同時加上m2球以速度v1碰靜止的m1球。因此碰撞後m2球的速度

+

將m2=3m1代入解得v2'=0。

從m1球開始下落到m1球上升的最大高度,對m1、m2兩球組成的系統,由能量守恆得:

(m1+m2)gh= m1gh'

故解出h'=4h。

解法4

設兩球下落h後的速度大小為v1,則

v12=2gh                                ①

選向上為正方向,m2球與地面碰撞後以速度v1反彈並與正在以速度-v1下落的m1球發生彈性碰撞,若以m2球為參考系,則m1球以相對m2球為-2v1的速度去碰靜止的m2球,由「一動碰一靜」的彈性碰撞公式得:

由於碰前m2球對地的具有向上的速度v1,

故碰後m1球對地的速度為:+ v1=2v1。

以下同解法1。

上面的解法1屬於常規的數學解法,求解比較麻煩,用時間也比較長而且容易出錯。而解法2、3、4直接應用巧記得到的彈性碰撞速度公式求解,簡單而不易出錯,是比較好的選擇。


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