動量還是動能?碰撞問題指南
學習如何透過界定系統、檢查外部衝量,以及區分彈性碰撞與非彈性碰撞,為碰撞問題選擇正確的方程式。內容包含解題範例,以及五道附詳細解答的練習題。
一輛質量為 \(2.0\ \mathrm{kg}\)、以 \(+4.0\ \mathrm{m\,s^{-1}}\) 運動的小車,與另一輛靜止、質量為 \(1.0\ \mathrm{kg}\) 的小車發生碰撞。碰撞前,兩車的總動量為 \(+8.0\ \mathrm{kg\,m\,s^{-1}}\)。單憑這些資訊,你能算出兩車碰撞後各自的速度嗎?
在選擇方程式之前,先考慮三種可能性:動量守恆、動能守恆,或兩者皆守恆。正確的選擇取決於你研究的系統、碰撞期間作用的外力,以及你對這次碰撞本身的了解。
相同的初始狀態,不同的碰撞結果
| 初始狀態 | m₁ = 2.0 kg, u₁ = +4.0 m/s; m₂ = 1.0 kg, u₂ = 0 總動量 = +8.0 kg·m/s |
|---|---|
| 黏在一起 | v₁ = v₂ = +2.67 m/s 動量守恆可決定共同的末速度。 |
| 撞擊後分開 | 2.0v₁ + 1.0v₂ = 8.0 速度單位為 m/s;單靠動量可得出多種可能結果。 若為彈性碰撞:v₁ = +1.33 m/s, v₂ = +5.33 m/s。 |
關鍵是先從動量入手,前提是淨外部衝量可以忽略。動能守恆是額外的條件,而不是每當物體發生碰撞時,就能自動假設成立的定律。
01選擇方程式之前,先確定你的系統
系統 是指你正在分析其運動的一組物體。在碰撞問題中,決定哪些物體屬於系統,會改變哪些力應被視為外力。
想像兩輛小車在軌道上發生碰撞。
如果你的系統包含兩輛小車,兩車彼此施加的力就是內力。根據牛頓第三運動定律,這些力大小相等、方向相反。因此,當你考慮兩車整體的總動量時,這些力所產生的衝量會互相抵銷。
然而,如果你的系統只包含第一輛小車,那麼第二輛小車施加的力,對你所選的系統而言就是外力。第一輛小車的動量會在碰撞期間改變。
系統的選擇決定哪些力屬於外力
| 系統:A 和 B | F(B on A) = −F(A on B) 兩個力都是系統的內力。 兩力合力為零;若淨外部衝量可忽略,總動量便保持不變。 |
|---|---|
| 系統:只有 A | Δp(A) = J(B on A) B 施加的力對此系統而言是外力。 它會在碰撞期間改變 A 的動量。 |
外力存在,就代表動量一定不守恆嗎?
不一定。你需要考慮碰撞期間的外部衝量。
衝量衡量力在一段時間內作用所產生的效果。對一個系統而言,淨外部衝量等於系統總動量的改變:
\[ J_{\text{ext}}=\Delta p_{\text{系統}} =p_f-p_i \]
其中:
- \(J_{\text{ext}}\) 是淨外部衝量,單位為牛頓秒(\(\mathrm{N\,s}\))。
- \(p_i\) 是碰撞前系統的總動量。
- \(p_f\) 是碰撞後系統的總動量。
如果淨外部衝量為零,或相較於你正在研究的動量變化可以忽略,則總動量守恆:
\[ p_i\approx p_f \]
如果外部衝量不可忽略,就應使用較一般的關係式:
\[ p_f=p_i+J_{\text{ext}} \]
這個區別在 HSC 考題中很有用。即使兩個物體之間作用著很大的碰撞力,兩者的總動量仍然可以守恆,因為對這個包含兩個物體的系統而言,該碰撞力屬於內力。另一方面,軌道施加的摩擦力屬於外力,可能改變兩車的總動量。
重要的問題不只是外力是否存在,而是碰撞期間的淨外部衝量能否忽略。
02動量是解決碰撞問題的起點
動量同時描述物體的質量與速度:
\[ p=mv \]
其中,\(p\) 是動量,\(m\) 是以公斤為單位的質量,而 \(v\) 是以公尺每秒為單位的速度。動量是向量,因此方向十分重要。
對於兩個物體在一維方向上的碰撞,動量守恆可寫成:
\[ m_1u_1+m_2u_2=m_1v_1+m_2v_2 \]
其中:
- \(m_1\) 和 \(m_2\) 是兩個物體的質量。
- \(u_1\) 和 \(u_2\) 是它們的初速度。
- \(v_1\) 和 \(v_2\) 是它們的末速度。
代入數值之前,先選定正方向。如果向右為正,向左運動的物體就具有負速度。
只要所選系統受到的淨外部衝量可以忽略,這條方程式便適用於彈性碰撞和非彈性碰撞。
這是一個重要的區別。動量守恆並不要求物體必須完美反彈、保持原本的速率,或保留全部動能。它要求的是系統的總動量保持不變。
然而,單靠動量未必能找出所有未知數。如果兩個物體的兩個末速度都未知,動量方程式只能提供一個關係式。要確定兩個末速度,你還需要另一個條件。
這時,碰撞過程中的能量變化就變得重要。
03動能是一個額外的條件
動能是物體因運動而具有的能量:
\[ E_k=\frac12mv^2 \]
與動量不同,動能是純量。由於速度被平方,運動方向不會影響動能的數值。
對於包含兩個物體的系統,碰撞前的總動能為:
\[ E_{k,i}=\frac12m_1u_1^2+\frac12m_2u_2^2 \]
碰撞後的總動能則為:
\[ E_{k,f}=\frac12m_1v_1^2+\frac12m_2v_2^2 \]
這兩個數值是否相等,取決於碰撞的性質。
彈性碰撞
彈性碰撞 會使碰撞物體的總動能守恆:
\[ E_{k,i}=E_{k,f} \]
如果淨外部衝量也可以忽略,你就可以同時使用動量守恆和動能守恆。
這兩條方程式提供兩個獨立的關係式,可能足以求出兩個未知的末速度。
非彈性碰撞
在非彈性碰撞中,總動能不守恆。部分動能會轉化為其他形式的能量,例如形變能、聲能、熱能或內能。
與此同時,動量仍然可以守恆。
如果兩個物體碰撞後黏在一起,這種碰撞稱為完全非彈性碰撞。兩個物體具有相同的末速度:
\[ v_1=v_2=v_f \]
這個共同的末速度為你提供了額外條件。你可以利用動量守恆計算它,而不必假設動能守恆。
兩個物體黏在一起後,它們的動能通常會減少,即使整個系統的總能量仍然守恆。
碰撞中哪些量守恆?
| 彈性碰撞 | pᵢ = pᶠ; Eₖ,ᵢ = Eₖ,ᶠ 總動量與總動能均保持不變。 |
|---|---|
| 非彈性碰撞 | pᵢ = pᶠ; Eₖ,ᶠ < Eₖ,ᵢ 動能減少;減少的能量會轉化為其他形式,例如聲能、熱能或形變能。 |
對於較有挑戰性的題目,還有一個值得記住的補充:如果彈簧或其他內部儲能裝置在碰撞期間釋放能量,物體的總動能實際上可能增加。這仍然不代表碰撞是彈性的。判斷碰撞是否具有彈性,要看總動能是否保持不變。
04實用的判斷流程
每當碰撞題要求你計算末速度、能量變化,或兩者都要計算時,都可以依照以下流程進行。
選擇正確的碰撞方程式
- 界定系統
確認系統包含哪些物體。
- 檢查外部衝量
pᶠ = pᵢ + Jₑₓₜ
衝量可忽略:動量守恆。否則,須計入淨外部衝量。
- 判斷碰撞是否具有彈性
若明確指出是彈性碰撞,總動能也守恆。否則,不可作此假設。
- 檢查物體是否黏在一起
v₁ = v₂ = vᶠ
使用共同的末速度及適用的衝量-動量方程式。
- 檢查是否缺少資訊
計算獨立方程式與未知數的數目。如有需要,找出另一個合理的條件。
方程式選擇表
| 已知資訊 | 應使用的方程式 | 常見錯誤 |
|---|---|---|
| 外部衝量可以忽略,但碰撞類型未知 | 動量守恆 | 假設動能守恆 |
| 題目明確指出碰撞是彈性的 | 動量守恆與動能守恆 | 忘記在動量方程式中使用正確的速度正負號 |
| 物體碰撞後黏在一起 | 動量守恆,以及兩物體具有相同的末速度 | 同時假設動能守恆 |
| 題目給出不可忽略的外部衝量 | \(p_f=p_i+J_{\text{ext}}\) | 直接令初動量等於末動量 |
| 兩個末速度都未知,但只提供動量資訊 | 動量方程式只能提供一個關係式 | 假設一條方程式足以求出兩個獨立的未知數 |
計算之前,先問自己四個問題
- 我的系統包含哪些物體?
- 碰撞期間的淨外部衝量可以忽略嗎?
- 題目有沒有指出碰撞是彈性的、物體會黏在一起,或提供其他條件?
- 寫出所有有理據可以使用的方程式後,我是否有足夠的獨立關係式來求出每個未知數?
如果你無法合理地證明動能守恆,就不要使用動能守恆方程式。如果未知數比獨立方程式多,你就需要更多物理資訊。無論如何重新排列方程式,都無法補上缺少的條件。
05解題範例:兩輛小車黏在一起
一輛質量為 \(2.0\ \mathrm{kg}\) 的小車以 \(4.0\ \mathrm{m\,s^{-1}}\) 向右運動,並與一輛靜止、質量為 \(1.0\ \mathrm{kg}\) 的小車發生碰撞。兩車碰撞後黏在一起。作用於兩車整體的淨水平外部衝量可以忽略。
求兩車共同的末速度,以及總動能的減少量。
步驟 1:確認系統與條件。
將兩輛小車視為同一個系統。由於淨水平外部衝量可以忽略,因此總動量守恆。
因為兩車碰撞後會黏在一起,所以它們具有共同的末速度 \(v_f\)。我們不假設動能守恆。
步驟 2:應用動量守恆。
\[ m_1u_1+m_2u_2=(m_1+m_2)v_f \]
以向右為正方向,代入已知數值:
\[ (2.0)(+4.0)+(1.0)(0)=(3.0)v_f \]
因此,
\[ v_f=\frac{8.0}{3.0} =+2.67\ \mathrm{m\,s^{-1}} \]
兩輛小車會以 \(2.67\ \mathrm{m\,s^{-1}}\) 的速度一起向右運動。
步驟 3:計算碰撞前後的動能。
碰撞前,只有第一輛小車在運動:
\[ E_{k,i}=\frac12(2.0)(4.0)^2 =16.0\ \mathrm J \]
碰撞後,合併的總質量為 \(3.0\ \mathrm{kg}\):
\[ E_{k,f}=\frac12(3.0) \left(\frac83\right)^2 =10.67\ \mathrm J \]
動能的減少量為:
\[ \begin{aligned} E_{k,\text{減少量}} &=E_{k,i}-E_{k,f}\\ &=16.0-10.67\\ &=5.33\ \mathrm J \end{aligned} \]
步驟 4:解釋結果。
兩輛小車的總動量守恆,但它們的總動能減少了 \(5.33\ \mathrm J\)。
這些能量並沒有消失,而是轉化為其他形式,例如形變能、聲能或內能。兩車會黏在一起這個條件,告訴我們不應使用動能守恆方程式來求解它們的末速度。
06解題範例:相同的小車發生彈性碰撞
一輛質量為 \(2.0\ \mathrm{kg}\)、以 \(4.0\ \mathrm{m\,s^{-1}}\) 運動的小車,與一輛靜止、質量為 \(1.0\ \mathrm{kg}\) 的小車發生碰撞。這一次,題目明確指出碰撞是彈性的,而且兩車在撞擊後會分開。淨水平外部衝量可以忽略。
求每輛小車的末速度。
步驟 1:確認系統與條件。
將兩輛小車都納入系統,而且外部衝量可以忽略。因此,我們可以使用總動量守恆。
由於題目明確指出碰撞是彈性的,我們也可以使用動能守恆。這兩條方程式可以用來求出兩車的末速度。
步驟 2:寫出動量方程式。
令 \(v_1\) 和 \(v_2\) 分別表示質量為 \(2.0\ \mathrm{kg}\) 和 \(1.0\ \mathrm{kg}\) 的小車的末速度。
\[ (2.0)(4.0)+(1.0)(0) =2.0v_1+1.0v_2 \]
以 \(\mathrm{m\,s^{-1}}\) 為速度單位,簡化後得到:
\[ 2v_1+v_2=8 \]
重新整理,將其中一個未知數表示為另一個未知數的函數:
\[ v_2=8-2v_1 \]
步驟 3:寫出動能方程式。
碰撞前的總動能為 \(16.0\ \mathrm J\)。由於碰撞是彈性的,碰撞後的總動能也必須是 \(16.0\ \mathrm J\)。
\[ \frac12(2.0)v_1^2+ \frac12(1.0)v_2^2=16 \]
簡化數值係數,並以 \(\mathrm{m\,s^{-1}}\) 為速度單位:
\[ v_1^2+\frac12v_2^2=16 \]
步驟 4:代入並求解。
將 \(v_2=8-2v_1\) 代入動能方程式:
\[ v_1^2+\frac12(8-2v_1)^2=16 \]
展開並簡化後得到:
\[ 3v_1^2-16v_1+16=0 \]
因式分解:
\[ (3v_1-4)(v_1-4)=0 \]
因此,
\[ v_1=\frac43 \quad\text{或}\quad v_1=4 \]
當 \(v_1=4\) 時,會得到 \(v_2=0\)。這代表系統維持原本的狀態,並不是題目所描述的兩車互相作用、碰撞後分開的情況。因此,我們捨棄這個解。
符合實際碰撞情況的解為:
\[ v_1=\frac43=+1.33\ \mathrm{m\,s^{-1}} \]
接著,
\[ v_2=8-2\left(\frac43\right) =\frac{16}{3} =+5.33\ \mathrm{m\,s^{-1}} \]
步驟 5:檢查結果。
碰撞後的總動量為:
\[ \begin{aligned} p_f &=(2.0)\left(\frac43\right) +(1.0)\left(\frac{16}{3}\right)\\ &=8.0\ \mathrm{kg\,m\,s^{-1}} \end{aligned} \]
碰撞後的總動能為:
\[ \begin{aligned} E_{k,f} &=\frac12(2.0)\left(\frac43\right)^2\\ &\quad+\frac12(1.0)\left(\frac{16}{3}\right)^2\\ &=16.0\ \mathrm J \end{aligned} \]
兩者都與初始數值相同,符合這次孤立彈性碰撞的要求。
請注意,兩個解題範例的初始條件完全相同。第一種碰撞使兩車具有共同的末速度,且動能減少;第二種碰撞則使兩車具有不同的末速度,同時保持動量與動能守恆。
決定哪些方程式可以合理使用的,是碰撞本身的條件。
- 總動能
07練習題與解答
問題 1
一輛質量為 \(1.5\ \mathrm{kg}\) 的小車以 \(6.0\ \mathrm{m\,s^{-1}}\) 向右運動,並與一輛靜止、質量為 \(2.5\ \mathrm{kg}\) 的小車發生碰撞。兩車碰撞後連結在一起,且淨水平外部衝量可以忽略。
計算兩車共同的末速度,以及總動能的減少量。
解答 1
兩車會以 \(+2.25\ \mathrm{m\,s^{-1}}\) 的速度一起運動,總動能則減少約 \(16.9\ \mathrm J\)。
由於兩車碰撞後黏在一起,因此它們只有一個共同的末速度。根據動量守恆:
\[ \begin{aligned} (1.5)(6.0)+(2.5)(0)&=(1.5+2.5)v_f\\ 9.0&=4.0v_f\\ v_f&=+2.25\ \mathrm{m\,s^{-1}} \end{aligned} \]
接著計算初動能:
\[ E_{k,i}=\frac12(1.5)(6.0)^2 =27.0\ \mathrm J \]
末動能為:
\[ E_{k,f}=\frac12(4.0)(2.25)^2 =10.125\ \mathrm J \]
因此,
\[ \begin{aligned} E_{k,\text{減少量}} &=27.0-10.125\\ &=16.875\ \mathrm J\\ &\approx16.9\ \mathrm J \end{aligned} \]
動能之所以減少,是因為這次碰撞屬於完全非彈性碰撞。動量計算是正確的,但如果假設動能守恆,就會得到錯誤的結果。
問題 2
一顆質量為 \(0.40\ \mathrm{kg}\) 的球以 \(12\ \mathrm{m\,s^{-1}}\) 向右運動,並與另一顆質量為 \(0.60\ \mathrm{kg}\)、以 \(2.0\ \mathrm{m\,s^{-1}}\) 向左運動的球發生碰撞。碰撞後,第一顆球以 \(3.0\ \mathrm{m\,s^{-1}}\) 向左運動。假設兩球系統受到的淨外部衝量可以忽略。
計算第二顆球的末速度,並判斷這次碰撞是否為彈性碰撞。
解答 2
第二顆球會以 \(8.0\ \mathrm{m\,s^{-1}}\) 向右運動。由於總動能減少了 \(9.0\ \mathrm J\),因此這次碰撞屬於非彈性碰撞。
以向右為正方向。根據動量守恆:
\[ \begin{aligned} p_i&=(0.40)(+12)+(0.60)(-2.0)\\ &=3.6\ \mathrm{kg\,m\,s^{-1}} \end{aligned} \]
令 \(v_2\) 為第二顆球的末速度。則:
\[ \begin{aligned} 3.6&=(0.40)(-3.0)+(0.60)v_2\\ 3.6&=-1.2+0.60v_2\\ v_2&=\frac{4.8}{0.60}\\ &=+8.0\ \mathrm{m\,s^{-1}} \end{aligned} \]
現在比較碰撞前後的總動能。
碰撞前:
\[ \begin{aligned} E_{k,i} &=\frac12(0.40)(12)^2 +\frac12(0.60)(2.0)^2\\ &=28.8+1.2\\ &=30.0\ \mathrm J \end{aligned} \]
碰撞後:
\[ \begin{aligned} E_{k,f} &=\frac12(0.40)(3.0)^2 +\frac12(0.60)(8.0)^2\\ &=1.8+19.2\\ &=21.0\ \mathrm J \end{aligned} \]
動能的減少量為:
\[ 30.0-21.0=9.0\ \mathrm J \]
這次碰撞不是彈性碰撞,因為總動能發生了變化。由於淨外部衝量可以忽略,動量仍然守恆。這是兩個不同的條件,滿足其中一個並不代表另一個也必然成立。
問題 3
一個質量為 \(1.0\ \mathrm{kg}\) 的滑盤以 \(6.0\ \mathrm{m\,s^{-1}}\) 向右運動,並與另一個靜止、質量為 \(2.0\ \mathrm{kg}\) 的滑盤發生碰撞。兩者碰撞後黏在一起。
在持續 \(0.20\ \mathrm s\) 的碰撞期間,作用於兩個滑盤系統的平均淨水平外力為 \(5.0\ \mathrm N\),方向向左。
計算兩個滑盤合併後的末速度。並解釋假設總動量守恆的計算有何錯誤。
解答 3
兩個滑盤合併後會以 \(1.67\ \mathrm{m\,s^{-1}}\) 向右運動。如果假設動量守恆,就會錯誤地得到 \(2.0\ \mathrm{m\,s^{-1}}\),因為外部衝量不可忽略。
初始總動量為:
\[ p_i=(1.0)(6.0)+(2.0)(0) =6.0\ \mathrm{kg\,m\,s^{-1}} \]
外部衝量為:
\[ \begin{aligned} J_{\text{ext}} &=F_{\text{avg}}\Delta t\\ &=(-5.0)(0.20)\\ &=-1.0\ \mathrm{N\,s} \end{aligned} \]
使用衝量-動量關係式:
\[ \begin{aligned} p_f&=p_i+J_{\text{ext}}\\ &=6.0-1.0\\ &=5.0\ \mathrm{kg\,m\,s^{-1}} \end{aligned} \]
兩個滑盤的合併質量為 \(3.0\ \mathrm{kg}\),因此:
\[ \begin{aligned} v_f&=\frac{p_f}{m_1+m_2}\\ &=\frac{5.0}{3.0}\\ &=+1.67\ \mathrm{m\,s^{-1}} \end{aligned} \]
如果錯誤地令 \(p_f=p_i\),就會得到:
\[ v_f=\frac{6.0}{3.0} =2.0\ \mathrm{m\,s^{-1}} \]
這個結果忽略了周圍環境施加的 \(-1.0\ \mathrm{N\,s}\) 衝量。內部碰撞力在總動量的計算中會互相抵銷,但周圍環境施加的外力會改變系統的動量。
問題 4
在一次碰撞期間,測量結果顯示以下動量變化:
- 物體 A 的動量由 \(+10\ \mathrm{kg\,m\,s^{-1}}\) 變為 \(+2\ \mathrm{kg\,m\,s^{-1}}\)。
- 物體 B 的動量由 \(-4\ \mathrm{kg\,m\,s^{-1}}\) 變為 \(+4\ \mathrm{kg\,m\,s^{-1}}\)。
一名學生認為,動量沒有守恆,因為物體 A 失去了動量。另一名學生則認為,動量有守恆,因為兩個物體的總動量保持不變。
判斷對於包含兩個物體的系統,以及只包含物體 A 的系統,哪位學生的說法正確。計算兩個物體整體受到的淨外部衝量,並解釋這些數據是否足以證明碰撞是彈性的。
解答 4
第二名學生對於包含兩個物體的系統而言是正確的,但對於只包含物體 A 的系統而言,動量並不守恆。兩個物體整體受到的淨外部衝量為零,而這些測量結果無法證明碰撞是否具有彈性。
對於兩個物體組成的系統,初始總動量為:
\[ \begin{aligned} p_i&=+10+(-4)\\ &=+6\ \mathrm{kg\,m\,s^{-1}} \end{aligned} \]
末總動量為:
\[ \begin{aligned} p_f&=+2+(+4)\\ &=+6\ \mathrm{kg\,m\,s^{-1}} \end{aligned} \]
因此,
\[ J_{\text{ext}}=p_f-p_i=0\ \mathrm{N\,s} \]
兩個物體的總動量保持不變。物體 A 的動量減少了 \(8\ \mathrm{kg\,m\,s^{-1}}\),而物體 B 的動量增加了相同的數值。兩者的動量變化互相抵銷。
然而,對於只包含物體 A 的系統而言,物體 B 施加的力屬於外力。因此,物體 A 的動量在碰撞期間並不守恆。
最後,單靠動量測量無法判斷碰撞是否具有彈性。你需要足夠的物體質量與速度資訊,才能比較碰撞前後的總動能。總動量相等並不代表總動能也相等。
問題 5
一輛質量為 \(2.0\ \mathrm{kg}\) 的小車 A 以 \(4.0\ \mathrm{m\,s^{-1}}\) 向右運動,並與一輛靜止、質量為 \(1.0\ \mathrm{kg}\) 的小車 B 發生碰撞。作用於兩車系統的淨水平外部衝量可以忽略。
碰撞後立即測得:
- 小車 A:\(+1.0\ \mathrm{m\,s^{-1}}\)。
- 小車 B:\(+6.0\ \mathrm{m\,s^{-1}}\)。
兩輛小車內含一個預先壓縮的彈簧機構,會在接觸期間釋放儲存的能量。假設該機構屬於系統的一部分,而且所有其他儲能形式都保持不變。
一名學生聲稱這些測量結果不可能成立:「如果系統是孤立的,動量和動能就必須同時守恆。」
評估這個說法。計算碰撞前後的總動量與總動能,然後求出彈簧儲存能量的變化量。
解答 5
這些測量結果符合動量守恆,但總動能增加了 \(3.0\ \mathrm J\)。這次碰撞不是彈性碰撞:彈簧釋放了 \(3.0\ \mathrm J\) 的儲存能量,並將其轉化為額外的動能。
首先,檢查動量守恆。
碰撞前:
\[ \begin{aligned} p_i&=(2.0)(+4.0)+(1.0)(0)\\ &=+8.0\ \mathrm{kg\,m\,s^{-1}} \end{aligned} \]
碰撞後:
\[ \begin{aligned} p_f&=(2.0)(+1.0)+(1.0)(+6.0)\\ &=+8.0\ \mathrm{kg\,m\,s^{-1}} \end{aligned} \]
總動量保持不變。小車之間的內力,包括與彈簧機構有關的作用力,可以重新分配兩輛小車的動量,而不會改變系統的總動量。
接著比較動能。
初始動能:
\[ E_{k,i}=\frac12(2.0)(4.0)^2 =16.0\ \mathrm J \]
末動能:
\[ \begin{aligned} E_{k,f} &=\frac12(2.0)(1.0)^2 +\frac12(1.0)(6.0)^2\\ &=1.0+18.0\\ &=19.0\ \mathrm J \end{aligned} \]
動能的增加量為:
\[ \Delta E_k=19.0-16.0=+3.0\ \mathrm J \]
由於彈簧是唯一發生變化的其他儲能形式,因此其儲存能量必須減少 \(3.0\ \mathrm J\)。額外增加的動能來自這個內部儲能裝置。
這名學生的錯誤,在於混淆了總能量守恆與動能守恆。孤立系統的總能量會守恆,但能量可以在動能、彈性位能、熱能及其他形式之間轉移。
這次碰撞不是彈性碰撞,因為總動能發生了變化。動量守恆並不會強制動能也必須守恆。
這就是更深一層的原則:動量守恆取決於系統受到的淨外部衝量,而動能守恆則取決於交互作用的性質,以及系統內部的能量轉移。
接下來值得學習的概念是衝量-動量關係。當碰撞題提供力-時間圖時,圖線下方的面積就是衝量,它能告訴你系統的總動量改變了多少。當淨外部衝量不再能夠忽略時,就應該使用這個方法。