🎳两个小球发生弹性碰撞后的速度
2026-7-18
| 2026-7-19
字数 1304阅读时长 4 分钟

一、推导特殊情况:动碰静

设定 以速度 撞击静止的 (即 ),碰后速度分别为
守恒方程
第1步:动量式移项
第2步:动能式消去 ,用平方差
第3步:(2) ÷ (1)
弹性碰撞碰静物:分离速度 = 接近速度
第4步:将 (3) 代入 (1)
再代回 (3) 求
 

二、推导普通情况:动碰动

设定 速度 速度 (同向或反向均可,代入正负即可),碰后
守恒方程
第1步:移项整理
第2步:(5) ÷ (4)
接近速度 = 分离速度
第3步:由 (6) 解出
代入动量守恒:
展开:
移项合并:
由对称性(下标 1↔2 互换)直接写出:
 

三、理解动碰动: 加上 碰_2$碰

把上面 的公式拆开看:
同理:
结论:动碰动的结果,恰好可以看作两个独立的"动碰静"过程的线性叠加——
  • =( 主动碰静止 的末速度)+( 主动碰静止 的末速度)
  • 同理
这体现了弹性碰撞方程的线性可叠加性
 

四、另一种理解:以 为参考系,套用动碰静

第1步:变换到 的参考系
在地面系中 运动。取 为参考系(即整体减去 ):
地面系
参考系
初速
初速
参考系里, 静止,这就变成了动碰静
第2步:直接套用动碰静公式
参考系中,用第一部分的结果:
第3步:变换回地面系(整体加回
展开化简:
同理:
核心思想换一个惯性参考系,动碰动就退化为动碰静,算完再换回来。这比直接解二元二次方程组要快得多,也不容易出错。
 

补充理解:关于"接近速度 = 分离速度"

(一)这句话的含义

碰撞前两物体相互靠近的相对速度,等于碰撞后两物体相互远离的相对速度。
用公式写就是:
注意 在前、 在后,因为碰后它们要"分开"。这是从动能守恒与动量守恒联立后得到的直接推论,与两球质量无关——只要碰撞是弹性的,无论 取何值,这一关系恒成立。它把原来需要解二次方程的问题,降维成了两个一次方程联立,是弹性碰撞最实用的速算工具。
 

(二)从参考系变换上看:质心系最直观

取两球的质心参考系(质心速度 )。
在质心系里:
  • 碰前两球相向运动,总动量为零
  • 碰后两球反向弹开,总动量仍为零
因为动能也守恒,在质心系里碰撞就像两个球撞在一面"无形的墙"上原速率反弹:
(碰后速度大小不变,方向恰好反向)
变换回地面系时,这个"在质心系中原速率反弹"的性质,就自然体现为:接近速度 = 分离速度
质心系的视角揭示了一个本质:弹性碰撞在"质心看来"不过是速度反向而已,地面系中看似复杂的交换,只是质心匀速运动叠加上两球相对质心的反转。
 

PS

本文在 InternLM 的帮助下完成。
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