动量还是动能?碰撞问题指南

学习如何透过界定系统、检查外部冲量,以及区分弹性碰撞与非弹性碰撞,为碰撞问题选择正确的方程式。内容包含解题范例,以及五道附详细解答的练习题。

一辆质量为 \(2.0\ \mathrm{kg}\)、以 \(+4.0\ \mathrm{m\,s^{-1}}\) 运动的小车,与另一辆静止、质量为 \(1.0\ \mathrm{kg}\) 的小车发生碰撞。碰撞前,两车的总动量为 \(+8.0\ \mathrm{kg\,m\,s^{-1}}\)。单凭这些资讯,你能算出两车碰撞后各自的速度吗?

在选择方程式之前,先考虑三种可能性:动量守恒、动能守恒,或两者皆守恒。正确的选择取决于你研究的系统、碰撞期间作用的外力,以及你对这次碰撞本身的了解。

相同的初始状态,不同的碰撞结果

初始状态

m₁ = 2.0 kg, u₁ = +4.0 m/s; m₂ = 1.0 kg, u₂ = 0

总动量 = +8.0 kg·m/s

黏在一起

v₁ = v₂ = +2.67 m/s

动量守恒可决定共同的末速度。

撞击后分开

2.0v₁ + 1.0v₂ = 8.0

速度单位为 m/s;单靠动量可得出多种可能结果。

若为弹性碰撞:v₁ = +1.33 m/s, v₂ = +5.33 m/s。

两种结果的初始总动量都是 +8.0 kg·m/s。如果两辆小车黏在一起,便可利用动量守恒确定它们的共同末速度。如果两车分开,单靠动量守恒则无法确定两者各自的末速度;还需要额外条件,例如碰撞是弹性的。

关键是先从动量入手,前提是净外部冲量可以忽略。动能守恒是额外的条件,而不是每当物体发生碰撞时,就能自动假设成立的定律。

01选择方程式之前,先确定你的系统

系统 是指你正在分析其运动的一组物体。在碰撞问题中,决定哪些物体属于系统,会改变哪些力应被视为外力。

想像两辆小车在轨道上发生碰撞。

如果你的系统包含两辆小车,两车彼此施加的力就是内力。根据牛顿第三运动定律,这些力大小相等、方向相反。因此,当你考虑两车整体的总动量时,这些力所产生的冲量会互相抵销。

然而,如果你的系统只包含第一辆小车,那么第二辆小车施加的力,对你所选的系统而言就是外力。第一辆小车的动量会在碰撞期间改变。

系统的选择决定哪些力属于外力

系统:A 和 B

F(B on A) = −F(A on B)

两个力都是系统的内力。

两力合力为零;若净外部冲量可忽略,总动量便保持不变。

系统:只有 A

Δp(A) = J(B on A)

B 施加的力对此系统而言是外力。

它会在碰撞期间改变 A 的动量。

根据牛顿第三运动定律,相互作用力大小相等、方向相反。当两个物体都纳入系统时,这些力在总动量平衡中会互相抵销;但若系统只包含物体 A,B 施加的力便会改变 A 的动量。

外力存在,就代表动量一定不守恒吗?

不一定。你需要考虑碰撞期间的外部冲量。

冲量衡量力在一段时间内作用所产生的效果。对一个系统而言,净外部冲量等于系统总动量的改变:

\[ J_{\text{ext}}=\Delta p_{\text{系统}} =p_f-p_i \]

其中:

  • \(J_{\text{ext}}\) 是净外部冲量,单位为牛顿秒(\(\mathrm{N\,s}\))。
  • \(p_i\) 是碰撞前系统的总动量。
  • \(p_f\) 是碰撞后系统的总动量。

如果净外部冲量为零,或相较于你正在研究的动量变化可以忽略,则总动量守恒:

\[ p_i\approx p_f \]

如果外部冲量不可忽略,就应使用较一般的关系式:

\[ p_f=p_i+J_{\text{ext}} \]

这个区别在 HSC 考题中很有用。即使两个物体之间作用著很大的碰撞力,两者的总动量仍然可以守恒,因为对这个包含两个物体的系统而言,该碰撞力属于内力。另一方面,轨道施加的摩擦力属于外力,可能改变两车的总动量。

重要的问题不只是外力是否存在,而是碰撞期间的净外部冲量能否忽略。

02动量是解决碰撞问题的起点

动量同时描述物体的质量与速度:

\[ p=mv \]

其中,\(p\) 是动量,\(m\) 是以公斤为单位的质量,而 \(v\) 是以公尺每秒为单位的速度。动量是向量,因此方向十分重要。

对于两个物体在一维方向上的碰撞,动量守恒可写成:

\[ m_1u_1+m_2u_2=m_1v_1+m_2v_2 \]

其中:

  • \(m_1\) 和 \(m_2\) 是两个物体的质量。
  • \(u_1\) 和 \(u_2\) 是它们的初速度。
  • \(v_1\) 和 \(v_2\) 是它们的末速度。

代入数值之前,先选定正方向。如果向右为正,向左运动的物体就具有负速度。

只要所选系统受到的净外部冲量可以忽略,这条方程式便适用于弹性碰撞和非弹性碰撞。

这是一个重要的区别。动量守恒并不要求物体必须完美反弹、保持原本的速率,或保留全部动能。它要求的是系统的总动量保持不变。

然而,单靠动量未必能找出所有未知数。如果两个物体的两个末速度都未知,动量方程式只能提供一个关系式。要确定两个末速度,你还需要另一个条件。

这时,碰撞过程中的能量变化就变得重要。

03动能是一个额外的条件

动能是物体因运动而具有的能量:

\[ E_k=\frac12mv^2 \]

与动量不同,动能是纯量。由于速度被平方,运动方向不会影响动能的数值。

对于包含两个物体的系统,碰撞前的总动能为:

\[ E_{k,i}=\frac12m_1u_1^2+\frac12m_2u_2^2 \]

碰撞后的总动能则为:

\[ E_{k,f}=\frac12m_1v_1^2+\frac12m_2v_2^2 \]

这两个数值是否相等,取决于碰撞的性质。

弹性碰撞

弹性碰撞 会使碰撞物体的总动能守恒:

\[ E_{k,i}=E_{k,f} \]

如果净外部冲量也可以忽略,你就可以同时使用动量守恒和动能守恒。

这两条方程式提供两个独立的关系式,可能足以求出两个未知的末速度。

非弹性碰撞

在非弹性碰撞中,总动能不守恒。部分动能会转化为其他形式的能量,例如形变能、声能、热能或内能。

与此同时,动量仍然可以守恒。

如果两个物体碰撞后黏在一起,这种碰撞称为完全非弹性碰撞。两个物体具有相同的末速度:

\[ v_1=v_2=v_f \]

这个共同的末速度为你提供了额外条件。你可以利用动量守恒计算它,而不必假设动能守恒。

两个物体黏在一起后,它们的动能通常会减少,即使整个系统的总能量仍然守恒。

碰撞中哪些量守恒?

弹性碰撞

pᵢ = pᶠ; Eₖ,ᵢ = Eₖ,ᶠ

总动量与总动能均保持不变。

非弹性碰撞

pᵢ = pᶠ; Eₖ,ᶠ < Eₖ,ᵢ

动能减少;减少的能量会转化为其他形式,例如声能、热能或形变能。

假设净外部冲量可以忽略,两种情况下的总动量都会守恒。在这个典型的非弹性碰撞中,减少的动能会转化为其他形式的能量;总能量仍然守恒。

对于较有挑战性的题目,还有一个值得记住的补充:如果弹簧或其他内部储能装置在碰撞期间释放能量,物体的总动能实际上可能增加。这仍然不代表碰撞是弹性的。判断碰撞是否具有弹性,要看总动能是否保持不变。

04实用的判断流程

每当碰撞题要求你计算末速度、能量变化,或两者都要计算时,都可以依照以下流程进行。

选择正确的碰撞方程式

  1. 界定系统

    确认系统包含哪些物体。

  2. 检查外部冲量

    pᶠ = pᵢ + Jₑₓₜ

    冲量可忽略:动量守恒。否则,须计入净外部冲量。

  3. 判断碰撞是否具有弹性

    若明确指出是弹性碰撞,总动能也守恒。否则,不可作此假设。

  4. 检查物体是否黏在一起

    v₁ = v₂ = vᶠ

    使用共同的末速度及适用的冲量-动量方程式。

  5. 检查是否缺少资讯

    计算独立方程式与未知数的数目。如有需要,找出另一个合理的条件。

根据系统及碰撞条件选择方程式。动量守恒要求净外部冲量可以忽略;动能守恒则另外要求碰撞是弹性的。切勿自行假设缺少的资讯。

方程式选择表

已知资讯应使用的方程式常见错误
外部冲量可以忽略,但碰撞类型未知动量守恒假设动能守恒
题目明确指出碰撞是弹性的动量守恒与动能守恒忘记在动量方程式中使用正确的速度正负号
物体碰撞后黏在一起动量守恒,以及两物体具有相同的末速度同时假设动能守恒
题目给出不可忽略的外部冲量\(p_f=p_i+J_{\text{ext}}\)直接令初动量等于末动量
两个末速度都未知,但只提供动量资讯动量方程式只能提供一个关系式假设一条方程式足以求出两个独立的未知数

计算之前,先问自己四个问题

  • 我的系统包含哪些物体?
  • 碰撞期间的净外部冲量可以忽略吗?
  • 题目有没有指出碰撞是弹性的、物体会黏在一起,或提供其他条件?
  • 写出所有有理据可以使用的方程式后,我是否有足够的独立关系式来求出每个未知数?

如果你无法合理地证明动能守恒,就不要使用动能守恒方程式。如果未知数比独立方程式多,你就需要更多物理资讯。无论如何重新排列方程式,都无法补上缺少的条件。

05解题范例:两辆小车黏在一起

一辆质量为 \(2.0\ \mathrm{kg}\) 的小车以 \(4.0\ \mathrm{m\,s^{-1}}\) 向右运动,并与一辆静止、质量为 \(1.0\ \mathrm{kg}\) 的小车发生碰撞。两车碰撞后黏在一起。作用于两车整体的净水平外部冲量可以忽略。

求两车共同的末速度,以及总动能的减少量。

步骤 1:确认系统与条件。

将两辆小车视为同一个系统。由于净水平外部冲量可以忽略,因此总动量守恒。

因为两车碰撞后会黏在一起,所以它们具有共同的末速度 \(v_f\)。我们不假设动能守恒。

步骤 2:应用动量守恒。

\[ m_1u_1+m_2u_2=(m_1+m_2)v_f \]

以向右为正方向,代入已知数值:

\[ (2.0)(+4.0)+(1.0)(0)=(3.0)v_f \]

因此,

\[ v_f=\frac{8.0}{3.0} =+2.67\ \mathrm{m\,s^{-1}} \]

两辆小车会以 \(2.67\ \mathrm{m\,s^{-1}}\) 的速度一起向右运动。

步骤 3:计算碰撞前后的动能。

碰撞前,只有第一辆小车在运动:

\[ E_{k,i}=\frac12(2.0)(4.0)^2 =16.0\ \mathrm J \]

碰撞后,合并的总质量为 \(3.0\ \mathrm{kg}\):

\[ E_{k,f}=\frac12(3.0) \left(\frac83\right)^2 =10.67\ \mathrm J \]

动能的减少量为:

\[ \begin{aligned} E_{k,\text{减少量}} &=E_{k,i}-E_{k,f}\\ &=16.0-10.67\\ &=5.33\ \mathrm J \end{aligned} \]

步骤 4:解释结果。

两辆小车的总动量守恒,但它们的总动能减少了 \(5.33\ \mathrm J\)。

这些能量并没有消失,而是转化为其他形式,例如形变能、声能或内能。两车会黏在一起这个条件,告诉我们不应使用动能守恒方程式来求解它们的末速度。

06解题范例:相同的小车发生弹性碰撞

一辆质量为 \(2.0\ \mathrm{kg}\)、以 \(4.0\ \mathrm{m\,s^{-1}}\) 运动的小车,与一辆静止、质量为 \(1.0\ \mathrm{kg}\) 的小车发生碰撞。这一次,题目明确指出碰撞是弹性的,而且两车在撞击后会分开。净水平外部冲量可以忽略。

求每辆小车的末速度。

步骤 1:确认系统与条件。

将两辆小车都纳入系统,而且外部冲量可以忽略。因此,我们可以使用总动量守恒。

由于题目明确指出碰撞是弹性的,我们也可以使用动能守恒。这两条方程式可以用来求出两车的末速度。

步骤 2:写出动量方程式。

令 \(v_1\) 和 \(v_2\) 分别表示质量为 \(2.0\ \mathrm{kg}\) 和 \(1.0\ \mathrm{kg}\) 的小车的末速度。

\[ (2.0)(4.0)+(1.0)(0) =2.0v_1+1.0v_2 \]

以 \(\mathrm{m\,s^{-1}}\) 为速度单位,简化后得到:

\[ 2v_1+v_2=8 \]

重新整理,将其中一个未知数表示为另一个未知数的函数:

\[ v_2=8-2v_1 \]

步骤 3:写出动能方程式。

碰撞前的总动能为 \(16.0\ \mathrm J\)。由于碰撞是弹性的,碰撞后的总动能也必须是 \(16.0\ \mathrm J\)。

\[ \frac12(2.0)v_1^2+ \frac12(1.0)v_2^2=16 \]

简化数值系数,并以 \(\mathrm{m\,s^{-1}}\) 为速度单位:

\[ v_1^2+\frac12v_2^2=16 \]

步骤 4:代入并求解。

将 \(v_2=8-2v_1\) 代入动能方程式:

\[ v_1^2+\frac12(8-2v_1)^2=16 \]

展开并简化后得到:

\[ 3v_1^2-16v_1+16=0 \]

因式分解:

\[ (3v_1-4)(v_1-4)=0 \]

因此,

\[ v_1=\frac43 \quad\text{或}\quad v_1=4 \]

当 \(v_1=4\) 时,会得到 \(v_2=0\)。这代表系统维持原本的状态,并不是题目所描述的两车互相作用、碰撞后分开的情况。因此,我们舍弃这个解。

符合实际碰撞情况的解为:

\[ v_1=\frac43=+1.33\ \mathrm{m\,s^{-1}} \]

接著,

\[ v_2=8-2\left(\frac43\right) =\frac{16}{3} =+5.33\ \mathrm{m\,s^{-1}} \]

步骤 5:检查结果。

碰撞后的总动量为:

\[ \begin{aligned} p_f &=(2.0)\left(\frac43\right) +(1.0)\left(\frac{16}{3}\right)\\ &=8.0\ \mathrm{kg\,m\,s^{-1}} \end{aligned} \]

碰撞后的总动能为:

\[ \begin{aligned} E_{k,f} &=\frac12(2.0)\left(\frac43\right)^2\\ &\quad+\frac12(1.0)\left(\frac{16}{3}\right)^2\\ &=16.0\ \mathrm J \end{aligned} \]

两者都与初始数值相同,符合这次孤立弹性碰撞的要求。

请注意,两个解题范例的初始条件完全相同。第一种碰撞使两车具有共同的末速度,且动能减少;第二种碰撞则使两车具有不同的末速度,同时保持动量与动能守恒。

决定哪些方程式可以合理使用的,是碰撞本身的条件。

总动能的数值比较:初始时为 16.0 J,弹性碰撞后为 16.0 J,而两辆小车黏在一起后则为 10.7 J。
  • 总动能
对于相同的初始状态,弹性碰撞会使动能维持在 16.0 J。当两辆小车黏在一起时,动能会降至 10.7 J,减少了 5.3 J,并转化为其他形式的能量。假设外部冲量可以忽略,两种情况下的总动量都会守恒。

07练习题与解答

问题 1

一辆质量为 \(1.5\ \mathrm{kg}\) 的小车以 \(6.0\ \mathrm{m\,s^{-1}}\) 向右运动,并与一辆静止、质量为 \(2.5\ \mathrm{kg}\) 的小车发生碰撞。两车碰撞后连结在一起,且净水平外部冲量可以忽略。

计算两车共同的末速度,以及总动能的减少量。

解答 1

两车会以 \(+2.25\ \mathrm{m\,s^{-1}}\) 的速度一起运动,总动能则减少约 \(16.9\ \mathrm J\)。

由于两车碰撞后黏在一起,因此它们只有一个共同的末速度。根据动量守恒:

\[ \begin{aligned} (1.5)(6.0)+(2.5)(0)&=(1.5+2.5)v_f\\ 9.0&=4.0v_f\\ v_f&=+2.25\ \mathrm{m\,s^{-1}} \end{aligned} \]

接著计算初动能:

\[ E_{k,i}=\frac12(1.5)(6.0)^2 =27.0\ \mathrm J \]

末动能为:

\[ E_{k,f}=\frac12(4.0)(2.25)^2 =10.125\ \mathrm J \]

因此,

\[ \begin{aligned} E_{k,\text{减少量}} &=27.0-10.125\\ &=16.875\ \mathrm J\\ &\approx16.9\ \mathrm J \end{aligned} \]

动能之所以减少,是因为这次碰撞属于完全非弹性碰撞。动量计算是正确的,但如果假设动能守恒,就会得到错误的结果。

问题 2

一颗质量为 \(0.40\ \mathrm{kg}\) 的球以 \(12\ \mathrm{m\,s^{-1}}\) 向右运动,并与另一颗质量为 \(0.60\ \mathrm{kg}\)、以 \(2.0\ \mathrm{m\,s^{-1}}\) 向左运动的球发生碰撞。碰撞后,第一颗球以 \(3.0\ \mathrm{m\,s^{-1}}\) 向左运动。假设两球系统受到的净外部冲量可以忽略。

计算第二颗球的末速度,并判断这次碰撞是否为弹性碰撞。

解答 2

第二颗球会以 \(8.0\ \mathrm{m\,s^{-1}}\) 向右运动。由于总动能减少了 \(9.0\ \mathrm J\),因此这次碰撞属于非弹性碰撞。

以向右为正方向。根据动量守恒:

\[ \begin{aligned} p_i&=(0.40)(+12)+(0.60)(-2.0)\\ &=3.6\ \mathrm{kg\,m\,s^{-1}} \end{aligned} \]

令 \(v_2\) 为第二颗球的末速度。则:

\[ \begin{aligned} 3.6&=(0.40)(-3.0)+(0.60)v_2\\ 3.6&=-1.2+0.60v_2\\ v_2&=\frac{4.8}{0.60}\\ &=+8.0\ \mathrm{m\,s^{-1}} \end{aligned} \]

现在比较碰撞前后的总动能。

碰撞前:

\[ \begin{aligned} E_{k,i} &=\frac12(0.40)(12)^2 +\frac12(0.60)(2.0)^2\\ &=28.8+1.2\\ &=30.0\ \mathrm J \end{aligned} \]

碰撞后:

\[ \begin{aligned} E_{k,f} &=\frac12(0.40)(3.0)^2 +\frac12(0.60)(8.0)^2\\ &=1.8+19.2\\ &=21.0\ \mathrm J \end{aligned} \]

动能的减少量为:

\[ 30.0-21.0=9.0\ \mathrm J \]

这次碰撞不是弹性碰撞,因为总动能发生了变化。由于净外部冲量可以忽略,动量仍然守恒。这是两个不同的条件,满足其中一个并不代表另一个也必然成立。

问题 3

一个质量为 \(1.0\ \mathrm{kg}\) 的滑盘以 \(6.0\ \mathrm{m\,s^{-1}}\) 向右运动,并与另一个静止、质量为 \(2.0\ \mathrm{kg}\) 的滑盘发生碰撞。两者碰撞后黏在一起。

在持续 \(0.20\ \mathrm s\) 的碰撞期间,作用于两个滑盘系统的平均净水平外力为 \(5.0\ \mathrm N\),方向向左。

计算两个滑盘合并后的末速度。并解释假设总动量守恒的计算有何错误。

解答 3

两个滑盘合并后会以 \(1.67\ \mathrm{m\,s^{-1}}\) 向右运动。如果假设动量守恒,就会错误地得到 \(2.0\ \mathrm{m\,s^{-1}}\),因为外部冲量不可忽略。

初始总动量为:

\[ p_i=(1.0)(6.0)+(2.0)(0) =6.0\ \mathrm{kg\,m\,s^{-1}} \]

外部冲量为:

\[ \begin{aligned} J_{\text{ext}} &=F_{\text{avg}}\Delta t\\ &=(-5.0)(0.20)\\ &=-1.0\ \mathrm{N\,s} \end{aligned} \]

使用冲量-动量关系式:

\[ \begin{aligned} p_f&=p_i+J_{\text{ext}}\\ &=6.0-1.0\\ &=5.0\ \mathrm{kg\,m\,s^{-1}} \end{aligned} \]

两个滑盘的合并质量为 \(3.0\ \mathrm{kg}\),因此:

\[ \begin{aligned} v_f&=\frac{p_f}{m_1+m_2}\\ &=\frac{5.0}{3.0}\\ &=+1.67\ \mathrm{m\,s^{-1}} \end{aligned} \]

如果错误地令 \(p_f=p_i\),就会得到:

\[ v_f=\frac{6.0}{3.0} =2.0\ \mathrm{m\,s^{-1}} \]

这个结果忽略了周围环境施加的 \(-1.0\ \mathrm{N\,s}\) 冲量。内部碰撞力在总动量的计算中会互相抵销,但周围环境施加的外力会改变系统的动量。

问题 4

在一次碰撞期间,测量结果显示以下动量变化:

  • 物体 A 的动量由 \(+10\ \mathrm{kg\,m\,s^{-1}}\) 变为 \(+2\ \mathrm{kg\,m\,s^{-1}}\)。
  • 物体 B 的动量由 \(-4\ \mathrm{kg\,m\,s^{-1}}\) 变为 \(+4\ \mathrm{kg\,m\,s^{-1}}\)。

一名学生认为,动量没有守恒,因为物体 A 失去了动量。另一名学生则认为,动量有守恒,因为两个物体的总动量保持不变。

判断对于包含两个物体的系统,以及只包含物体 A 的系统,哪位学生的说法正确。计算两个物体整体受到的净外部冲量,并解释这些数据是否足以证明碰撞是弹性的。

解答 4

第二名学生对于包含两个物体的系统而言是正确的,但对于只包含物体 A 的系统而言,动量并不守恒。两个物体整体受到的净外部冲量为零,而这些测量结果无法证明碰撞是否具有弹性。

对于两个物体组成的系统,初始总动量为:

\[ \begin{aligned} p_i&=+10+(-4)\\ &=+6\ \mathrm{kg\,m\,s^{-1}} \end{aligned} \]

末总动量为:

\[ \begin{aligned} p_f&=+2+(+4)\\ &=+6\ \mathrm{kg\,m\,s^{-1}} \end{aligned} \]

因此,

\[ J_{\text{ext}}=p_f-p_i=0\ \mathrm{N\,s} \]

两个物体的总动量保持不变。物体 A 的动量减少了 \(8\ \mathrm{kg\,m\,s^{-1}}\),而物体 B 的动量增加了相同的数值。两者的动量变化互相抵销。

然而,对于只包含物体 A 的系统而言,物体 B 施加的力属于外力。因此,物体 A 的动量在碰撞期间并不守恒。

最后,单靠动量测量无法判断碰撞是否具有弹性。你需要足够的物体质量与速度资讯,才能比较碰撞前后的总动能。总动量相等并不代表总动能也相等。

问题 5

一辆质量为 \(2.0\ \mathrm{kg}\) 的小车 A 以 \(4.0\ \mathrm{m\,s^{-1}}\) 向右运动,并与一辆静止、质量为 \(1.0\ \mathrm{kg}\) 的小车 B 发生碰撞。作用于两车系统的净水平外部冲量可以忽略。

碰撞后立即测得:

  • 小车 A:\(+1.0\ \mathrm{m\,s^{-1}}\)。
  • 小车 B:\(+6.0\ \mathrm{m\,s^{-1}}\)。

两辆小车内含一个预先压缩的弹簧机构,会在接触期间释放储存的能量。假设该机构属于系统的一部分,而且所有其他储能形式都保持不变。

一名学生声称这些测量结果不可能成立:「如果系统是孤立的,动量和动能就必须同时守恒。」

评估这个说法。计算碰撞前后的总动量与总动能,然后求出弹簧储存能量的变化量。

解答 5

这些测量结果符合动量守恒,但总动能增加了 \(3.0\ \mathrm J\)。这次碰撞不是弹性碰撞:弹簧释放了 \(3.0\ \mathrm J\) 的储存能量,并将其转化为额外的动能。

首先,检查动量守恒。

碰撞前:

\[ \begin{aligned} p_i&=(2.0)(+4.0)+(1.0)(0)\\ &=+8.0\ \mathrm{kg\,m\,s^{-1}} \end{aligned} \]

碰撞后:

\[ \begin{aligned} p_f&=(2.0)(+1.0)+(1.0)(+6.0)\\ &=+8.0\ \mathrm{kg\,m\,s^{-1}} \end{aligned} \]

总动量保持不变。小车之间的内力,包括与弹簧机构有关的作用力,可以重新分配两辆小车的动量,而不会改变系统的总动量。

接著比较动能。

初始动能:

\[ E_{k,i}=\frac12(2.0)(4.0)^2 =16.0\ \mathrm J \]

末动能:

\[ \begin{aligned} E_{k,f} &=\frac12(2.0)(1.0)^2 +\frac12(1.0)(6.0)^2\\ &=1.0+18.0\\ &=19.0\ \mathrm J \end{aligned} \]

动能的增加量为:

\[ \Delta E_k=19.0-16.0=+3.0\ \mathrm J \]

由于弹簧是唯一发生变化的其他储能形式,因此其储存能量必须减少 \(3.0\ \mathrm J\)。额外增加的动能来自这个内部储能装置。

这名学生的错误,在于混淆了总能量守恒与动能守恒。孤立系统的总能量会守恒,但能量可以在动能、弹性位能、热能及其他形式之间转移。

这次碰撞不是弹性碰撞,因为总动能发生了变化。动量守恒并不会强制动能也必须守恒。

这就是更深一层的原则:动量守恒取决于系统受到的净外部冲量,而动能守恒则取决于交互作用的性质,以及系统内部的能量转移。

接下来值得学习的概念是冲量-动量关系。当碰撞题提供力-时间图时,图线下方的面积就是冲量,它能告诉你系统的总动量改变了多少。当净外部冲量不再能够忽略时,就应该使用这个方法。