1、動量守恒:
以兩球碰撞為例:光滑水平面上有兩個質量分別是m1和m2的小球,分別以速率v1和v2且v1>v2做勻速直線運動。當m1追上m2時,兩小球發生碰撞,設碰后兩者的速率分別為v1ˊ,v2ˊ。
設水平往右為正方向動量守恒,它們在發生互相作用碰撞前的總動量:p=p1+p2=m1v1+m2v2,在發生互相作用后兩球的總動量:pˊ=p1ˊ+p2ˊ=m1v1ˊ+m2v2ˊ。
設碰撞過程中兩球互相斥力分別是F1和F2,力的作用時間是依據牛頓第二定理,碰撞過程中兩球的加速度分別為:
依據牛頓第三定理,大小相等,方向相反,即:F1=-F2
所以:m1a1=-m2a2
碰撞時兩球之間力的作用時間很短,用
表示,這樣加速度與碰撞前后速率的關系就是:
代入上式,整理后可得:
或寫成:
即:
這表明兩球碰撞前后系統的總動量是相等的。
2、彈性碰撞:
彈性碰撞前后系統的總動能不變,對兩個物體組成的系統的正碰情況滿足:
即
兩式聯立可得:
當v2=0時,
此時若m1=m2,,這時v1'=0;v2'=0,碰后實現了動量和動能的全部交換。
若m1>>m2,,這時v1'約等于v1,v2'約等于2v1,碰后m1的速率幾乎未變,仍依照原方向運動,質量小的物體以兩倍v1的速率往前運動。若m2>>m1,,這時v1'約等于-v1;v2'約等于0,碰后m1按原先的速率彈回,m2幾乎不動。
3、非完全彈性碰撞:
非完全彈性碰撞情況下,假若物體碰撞后,各自具有不同的速率,但系統的總動能增大,機械能損失較大。0
4、完全非彈性碰撞:
物體A碰撞物體B,碰撞前,物體A的質量mA=m1,物體A的速率vA=v1,物體B的質量mB=m2,物體B的速率vB=v2。
因為物體A碰撞物體B,于是v1≠v2,v1≠0,v2≠0,若v1與v2等大反向,則v1≠0,v2≠0,v1≠v2,v2=-v1,v1-v2=v1-(-v1)=2v1,當v1=0且v2=0時,物體A不碰撞物體B且v1與v2同向。
碰撞前,物體A與物體B的總動量P
因為m1、v1、m2、v2為定值,于是P為定值,物體A與物體B的總動能Ek
碰撞后,物體A的質量mA=m1,物體A的速率vA=v'1,物體B的質量mB=m2,物體B的速率vB=v'2,物體A與物體B的總動量
因為物體A與物體B的總動量不變,于是
因為P為定值,于是P'為定值,物體A與物體B的總動能
因為能量可能會損失,于是
當v'1=v'2時,物體A與物體B的總動能Ek'最小。當物體A與物體B的總動能Ek'最小時,v'1=v'2,這些碰撞稱作完全非彈性碰撞。
擴充資料:
動量守恒定理是自然界最普遍、最基本的規律之一。除了適用于宏觀物體的低速運動,也適用與微觀物體的高速運動。小到微觀粒子,大到宇宙天體,無論內力是哪些性質的力,只要滿足守恒條件,動量守恒定理總是適用的。
適用條件:
系統不受外力或則所受合外力為零;系統所受合外力似乎不為零,但系統的內力遠小于外力時,如碰撞、爆炸等現象中,系統的動量可看成近似守恒。
系統總的來看不符合以上條件的任意一條,則系統的總動量不守恒。并且若系統在某一方向上符合以上條件的任意一條動量守恒,則系統在該方向上動量守恒。
參考資料: