彈性碰撞(elastic collision),又稱完全彈性碰撞,指在理想情況下,物體碰撞后,形變能夠恢復,不發熱、發聲,沒有動能損失。真正的彈性碰撞只在分子、原子以及更小的微粒之間才會出現。生活中,硬質木球或鋼球發生碰撞時,動能的損失很小,可以忽略不計,通常也可以將它們的碰撞看成彈性碰撞。牛頓碰撞定律認為,兩個相互碰撞的物體,碰撞后的脫離速度與碰撞前的靠近速度之比稱為恢復系數。對于完全彈性碰撞來說,恢復系數為1的碰撞,但這種情況只會出現在理想情況中。彈性碰撞的必要條件是動能沒有轉成其他形式的能量(熱能、轉動能量),例如:原子的碰撞。
定義
彈性碰撞(elastic collision),又稱完全彈性碰撞,指在理想情況下,物體碰撞后,形變能夠恢復,不發熱、發聲,沒有動能損失。按照牛頓的理論,完全彈性碰撞是恢復系數為1的碰撞。
公式
一般地:定義恢復系數e=(v’2-v'1)/(v1-v2),如果僅僅考慮對心碰撞情形,由于在質心系中碰撞前后相對速度彼此相反,有 v’2-v'1=e (v1-v2) (1)。
利用質心系總動量為零和相對速度的定義式,再結合(1)式,容易推出質心系中碰撞后的速度表達式。最后在表達式中代入
容易得到碰撞后速度:
取e=1即可得到完全彈性碰撞后的速度表達式。
或者,回歸高中物理的情形:設兩個物體質量,碰撞前速度。對于完全彈性碰撞:兩個物體碰撞后速度,可由動量守恒定律和能量守恒定律簡單地導出:
動量守恒定律:
能量守恒定律:
兩個物體碰撞后速度:
注意:速度是矢量。
性質
由上述公式能夠得到如下性質:
1.在對心碰撞中:兩個物體在碰撞后相比碰撞前,相對速度大小相等,方向相反。
2.總動量和總能量不變:兩個物體碰撞前后,動量的矢量和、能量的和都不變。
3.如果兩個物體質量相同,兩個物體的速度大小與方向互換。
4.物件在碰撞前后的平均動量相同。
5.質心的速度不變。
6.若一物碰撞一個質量相對極小的另一物,則前者的速度幾乎不變,而后者以近乎原前者兩倍速度彈出。
7.若一物碰撞一個質量相對極大的另一物,則前者的以近乎原速率反彈,而后者幾乎不動。
應用
彈性碰撞的概念在物理學的多個領域有著廣泛的應用。例如,在核物理學中,中子減速劑通常包含許多質量小的原子核的原子,這是因為質量最小的原子核和中子的質量十分接近,使得在碰撞過程中能夠有效地減緩中子的速度,而不易吸收中子。這種性質使得彈性碰撞在控制核反應過程中起到了關鍵作用。
其他
碰撞的類型還有:非彈性碰撞、完全非彈性碰撞。在非彈性碰撞中,碰撞后的系統動能減少,這部分動能通常轉化為內能,如熱能或者是物體的形變能。而在完全非彈性碰撞中,兩個物體碰撞后會粘在一起,動能損失最大。
參考資料 >