什么是动量守恒?
动量守恒定律指出:在一个封闭、孤立的系统中,总动量保持不变。动量等于质量乘以速度,因此对于两个相互作用的物体来说,碰撞前的总动量等于碰撞后的总动量。这是经典力学中最重要的原理之一,广泛适用于碰撞、爆炸以及反冲等各类问题。
如何使用本计算器
请输入两个物体的质量(\(m_1\) 和 \(m_2\))、各自的初速度(\(u_1\) 和 \(u_2\)),以及物体 1 的已知末速度(\(v_1\))。计算器会自动求出物体 2 的未知末速度(\(v_2\)),并验证系统总动量是否守恒。若某个速度方向与你设定的正方向相反,请在数值前加上负号。
公式详解
从 \(m_1 u_1 + m_2 u_2 = m_1 v_1 + m_2 v_2\) 出发,将 \(v_2\) 单独解出:
$$v_2 = \dfrac{m_1\,u_1 + m_2\,u_2 - m_1\,v_1}{m_2}$$
分子是系统总动量减去碰撞后物体 1 所携带的动量,再除以 \(m_2\),即可得到物体 2 的末速度。
计算实例
一辆 2 kg 的小车以 5 m/s 的速度撞向一辆静止的 3 kg 小车。碰撞后,2 kg 小车的速度变为 1 m/s。总动量 $$= 2\times 5 + 3\times 0 = 10 \text{ kg}\cdot\text{m/s}.$$ 于是 $$v_2 = \dfrac{10 - 2\times 1}{3} = \dfrac{8}{3} \approx 2.667 \text{ m/s}.$$ 也就是说,3 kg 小车以约 2.67 m/s 的速度运动,而碰撞后的总动量(\(2\times 1 + 3\times 2.667 = 10\))保持不变。
常见问题
有摩擦力时动量还守恒吗?只有在没有外部净力作用时,动量才守恒。明显的摩擦力属于外力,因此本工具适用于摩擦可忽略不计的瞬时碰撞场景。
它适用于弹性碰撞和非弹性碰撞吗?都适用——这两种情况下动量都守恒。在完全非弹性碰撞中,两个物体碰撞后会粘连在一起,此时 \(v_1\) 等于 \(v_2\)。
应该使用什么单位?质量请使用千克(kg),速度请使用米每秒(m/s),这样得到的动量单位即为 \(\text{kg}\cdot\text{m/s}\)。