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5.3 碰后速度关系

动量定理与动量守恒定律 · 高二
先确认一下:这一关能不能学
先会这个
上面这几节是它的地基 —— 没通的话,补完再回来,比硬啃快得多。
讲清楚它是什么

定义 碰撞后两物体速度满足动量守恒及能量约束(弹性或完全非弹性)的特定关系式。

从哪来 基于 7.3 子弹打木块 的动量守恒模型,结合 2.1 质点模型 简化相互作用过程,并参考 3.2 匀变速直线运动 理解碰撞前后的状态变化。

为什么 碰撞瞬间内力远大于外力,系统动量守恒。若碰撞为弹性,机械能也守恒;若为完全非弹性,碰后共速且动能损失最大。这两种极端情况决定了碰后速度的上下界,中间状态由恢复系数决定。

讲法
适合:数学推导能力强、喜欢逻辑严密的学生 直接列出动量守恒方程 $m_1v_1 + m_2v_2 = m_1v_1' + m_2v_2'$ 和能量方程(弹性:$\frac{1}{2}m_1v_1^2 + \frac{1}{2}m_2v_2^2 = \frac{1}{2}m_1v_1'^2 + \frac{1}{2}m_2v_2'^2$;完全非弹性:$v_1'=v_2'$)。通过代数消元,推导出 $v_1' = \frac{(m_1-m_2)v_1 + 2m_2v_2}{m_1+m_2}$ 等通解公式。强调这是唯一确定解的条件。
讲法
适合:物理直觉好、擅长图像分析的学生 引入“相对速度”概念。解释弹性碰撞中“接近速度等于分离速度”($v_1 - v_2 = v_2' - v_1'$)。利用 $v-t$ 图像,画出碰撞前后速度线段,直观展示动量守恒(面积/斜率关系)和能量守恒(速度平方和的几何意义)。强调“反弹”与“同向”的几何特征。
讲法
适合:抽象思维较弱、需要具体情境辅助的学生 从 7.3 子弹打木块 入手,先讲完全非弹性碰撞(粘在一起),计算共同速度。再对比弹性碰撞(如台球),指出“不粘”意味着有能量保留,速度会分开。通过极端案例(质量相等交换速度、大撞小反弹)建立直觉,最后再引入公式。
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练一道
基础题
质量 $m_1=2\text{kg}$ 的物体 A 以 $v_1=4\text{m/s}$ 撞击静止的 $m_2=1\text{kg}$ 物体 B,发生弹性碰撞。求碰后 $v_1', v_2'$。
变式
同上条件,但发生完全非弹性碰撞(碰后粘在一起)。求共同速度 $v$ 及动能损失 $\Delta E_k$。
试试手自己判
检测题
质量 $m$ 的小球 A 以速度 $v$ 撞击静止的质量 $2m$ 的小球 B。若碰后 A 的速度变为 $-0.5v$(反向),判断该碰撞是否为弹性碰撞?并求 B 的速度。
看答案和判分标准
答案:1. 动量守恒:$mv = m(-0.5v) + 2mv_B \Rightarrow mv = -0.5mv + 2mv_B \Rightarrow 1.5mv = 2mv_B \Rightarrow v_B = 0.75v$ 2. 检验弹性: 初动能 $E_{k0} = \frac{1}{2}mv^2$ 末动能 $E_{k1} = \frac{1}{2}m(-0.5v)^2 + \frac{1}{2}(2m)(0.75v)^2 = 0.125mv^2 + 0.5625mv^2 = 0.6875mv^2$ 因为 $E_{k1} < E_{k0}$,所以不是弹性碰撞。
判对标准:
正确列出动量守恒式求出 $v_B=0.75v$,并通过计算动能变化判断出非弹性,得满分。
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