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输入计算

数学公式

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结果

物体1的末速度(v₁')
-3.4
m/s
物体2的末速度(v₂') 3.6 m/s

什么是弹性碰撞?

弹性碰撞是指碰撞前后系统的总动量和总动能都保持守恒的碰撞。在一维情形下,两个物体沿同一直线相向或同向运动,发生碰撞后再分开,它们的新速度完全由各自的质量和初速度决定。本计算器直接套用标准的一维弹性碰撞公式,瞬间给出两个物体的末速度。

一维碰撞中相互靠近又分开的两个小球
在弹性碰撞中,动量和动能都守恒。

如何使用本计算器

分别输入每个物体的质量和初速度。规定沿某一方向(比如向右)运动取正值,沿相反方向运动取负值。计算器会返回碰撞瞬间之后的末速度 \(v_1'\) 和 \(v_2'\)。如果结果为负,说明该物体此时正向左运动。

公式详解

两条核心公式如下:

$$v_1' = \frac{(\text{m}_1 - \text{m}_2)\,\text{u}_1 + 2\,\text{m}_2\,\text{u}_2}{\text{m}_1 + \text{m}_2}$$

$$v_2' = \frac{(\text{m}_2 - \text{m}_1)\,\text{u}_2 + 2\,\text{m}_1\,\text{u}_1}{\text{m}_1 + \text{m}_2}$$

它们是由动量守恒(\(\text{m}_1\text{u}_1 + \text{m}_2\text{u}_2 = \text{m}_1 v_1' + \text{m}_2 v_2'\))和动能守恒两个方程联立求解得到的。注意公式具有对称结构:把其中一条公式里的下标 1 和 2 互换,就能得到另一条公式。

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显示碰撞前后动量与动能相等的示意图
末速度公式由碰撞前后两个守恒量相等推导得出。

实例演算

假设质量 \(\text{m}_1 = 2 \text{ kg}\) 的物体以 \(\text{u}_1 = 5 \text{ m/s}\) 运动,撞上以 \(\text{u}_2 = -2 \text{ m/s}\) 运动、质量 \(\text{m}_2 = 3 \text{ kg}\) 的物体。此时 \(\text{m}_1 + \text{m}_2 = 5\)。 $$v_1' = \frac{(2-3)\cdot 5 + 2\cdot 3\cdot(-2)}{5} = \frac{-5 - 12}{5} = -3.4 \text{ m/s}$$ $$v_2' = \frac{(3-2)\cdot(-2) + 2\cdot 2\cdot 5}{5} = \frac{-2 + 20}{5} = 3.6 \text{ m/s}$$ 可见物体 1 反向弹回,而物体 2 则加速向前运动。

常见问题

如果两个物体质量相等会怎样?当质量相等时,两个物体会直接交换速度,这是弹性碰撞中一个经典的结论。

某个物体的质量可以非常大吗?可以。一个非常重的物体在碰撞后速度几乎不变,而那个较轻的物体则会被弹回,其相对于重物体的速度差不多达到原来的两倍。

这个工具适用于二维碰撞吗?不适用。本工具假设运动只发生在一条直线上。二维碰撞需要把速度分解为矢量分量,并提供额外的角度信息才能求解。

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