引入

为什么两个相同的球正碰后交换速度?

为什么完全非弹性碰撞损失的动能最多?

碰撞时间那么短,怎么判断能量损失了多少?

两个物体碰撞时,动量守恒总是成立,因为碰撞瞬间内力远大于外力。但动能是否守恒取决于碰撞类型,这个区别决定了碰撞后速度怎么算。

正文

定义

碰撞是两个或多个物体在极短时间内发生强烈相互作用的过程。按动能是否守恒,分为弹性碰撞和非弹性碰撞。

碰撞分类

类型动量动能特征
完全弹性碰撞守恒守恒无形变、无发热
非弹性碰撞守恒减少有形变或发热
完全非弹性碰撞守恒损失最大碰撞后粘在一起

真实碰撞大多介于弹性和完全非弹性之间。理想弹性碰撞只在分子、原子或特定材料(如钢球)中近似成立。

一维完全弹性碰撞

设两物体质量 、,碰前速度 、,碰后速度 、。联立动量守恒和动能守恒:

解得:

特殊情况:

质量关系结果
交换速度
速度几乎不变, 速度反向加倍
反弹, 几乎不动

这三种情形分别对应台球正碰、重锤敲钉子、小球撞墙。

完全非弹性碰撞

碰后两物体粘在一起,共同速度:

损失的动能转化为内能(形变、发热、声能):

损失量与相对速度的平方成正比,与约化质量成正比。

恢复系数

其中分子是碰后分离速度,分母是碰前接近速度。

值碰撞类型
完全弹性
非弹性
完全非弹性

恢复系数由材料性质决定,与速度关系不大(在中等速度范围内)。钢球约 ,橡皮球约 ,黏土接近 。

化学中的碰撞模型

在化学反应速率的碰撞理论中:

  • 分子碰撞是反应发生的前提。
  • 有效碰撞不仅要求碰撞能量超过活化能(部分动能转化为化学键断裂能,类似非弹性过程),还要求碰撞方向合适。
  • 弹性碰撞不引发反应,只交换动能,维持麦克斯韦-玻尔兹曼分布。

引出

碰撞理论给出了反应速率的上限估计。实际反应速率远小于碰撞频率,因为还需要满足能量和方向条件——这正是 Arrhenius 公式中活化能和指前因子的物理来源(见玻尔兹曼分布)。

二维、三维碰撞中动量守恒如何分方向使用?

为什么完全非弹性碰撞损失的动能最大?