彈性碰撞

2021-01-18 青島高中物理教研


彈性碰撞




兩個小球沿質心連線運動,發生的碰撞叫做正碰,也稱為對心碰撞。


碰撞可分為兩個階段,從兩球接觸到形變最大的階段叫做壓縮階段,從最大壓縮量恢復到形變不再變化階段稱為恢復階段。但並非所有的碰撞都能夠恢復原狀,通常認為剛性小球發生碰撞後能夠完全恢復原樣;相反的極端情景就是兩物體碰後粘連在一起,就完全沒有恢復階段;兩種情景之間的其它碰撞,則是部分恢復。但是不論那種碰撞,若無外力作用,它們碰前的總動量與碰後的總動量總是相等的。


進一步研究表明,能夠完全恢復的碰撞,除總動量保持不變之外,碰前的總動能與碰後的總動能相等,這種碰撞我們稱為彈性碰撞,也叫做完全彈性碰撞。另外兩種碰撞情況則有動能損失,即碰後的總動能小於碰前的總動能,稱為非彈性碰撞,其中損失最多的情景,就是完全沒有恢復階段,碰後粘連在一起的碰撞,我們將此類碰撞稱為完全非彈性碰撞。


現在我們來研究在一條直線上,兩球發生彈性碰撞的情況。若將碰前的動量分別記為m1v1、m2v2,碰後的動量記為m1v1'、m2v2',那麼,根據動量守恆定律,可得~,由動能守恆得~。

將兩式m1、m2移項合併,兩式相除後,得到~,這個等式可解釋為:兩球碰前追擊的相對速度等於碰後分離的相對速度(歷史上,牛頓曾將等式左右兩邊之比即 (v2』-v1』)/(v1-v2) 定義為碰撞的恢復係數e,可見當e=1時表示的就是彈性碰撞,而當e=0則表示完全非彈性碰撞,e的數值在0-1範圍內)。


將它代入動量守恆關係式,求得碰後速度:~,這是兩物體發生彈性正碰時,一個很有用的結果,可以利用它討論不同條件下,發生彈性碰撞的結果。


比如,若m1=m2,由上式直接得到v1'=v2,v2'=v1,即兩物體碰撞交換了速度。再比如,若開始m2靜止,那麼碰後兩者速度分別為~,可見碰後m2的速度總是與v1相同,而m1碰後的速度v1'的方向,則與兩物體質量有關;當m1>m2,通俗地說,大的碰小的,則碰後會繼續向前;相反的m1<m2,小的碰大的,m1碰後將被反向彈回。若是兩者質量相等,將如前面所說的交換速度,即m1停止,m2以v1速度向前運動,這就類似於冰壺運動中的「打定」情景,相必你一定見過。


彈性碰撞是一個常見的、有趣的物理現象,我們所推得的結果,是討論這類碰撞問題非常有用的工具,不過在討論不同條件時,一定不要忘記考慮速度的方向。


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