题目
一个质量为 m_1 的物体以速度 v_1 与另一个质量为 m_2 的静止物体发生完全弹性碰撞后,若 m_1 = m_2,则碰撞后 m_1 的速度为 ____。
一个质量为 $m_1$ 的物体以速度 $v_1$ 与另一个质量为 $m_2$ 的静止物体发生完全弹性碰撞后,若 $m_1 = m_2$,则碰撞后 $m_1$ 的速度为 ____。
题目解答
答案
根据完全弹性碰撞的规律,动量守恒和动能守恒同时成立。设碰撞后 $m_1$ 的速度为 $v_1'$,$m_2$ 的速度为 $v_2'$。
由动量守恒定律:
\[
m_1 v_1 = m_1 v_1' + m_2 v_2'
\]
由动能守恒定律:
\[
\frac{1}{2} m_1 v_1^2 = \frac{1}{2} m_1 v_1'^2 + \frac{1}{2} m_2 v_2'^2
\]
当 $m_1 = m_2$ 时,将 $m_2$ 替换为 $m_1$,上述方程变为:
\[
m_1 v_1 = m_1 v_1' + m_1 v_2' \implies v_1 = v_1' + v_2'
\]
\[
\frac{1}{2} m_1 v_1^2 = \frac{1}{2} m_1 v_1'^2 + \frac{1}{2} m_1 v_2'^2 \implies v_1^2 = v_1'^2 + v_2'^2
\]
将 $v_2' = v_1 - v_1'$ 代入第二个方程:
\[
v_1^2 = v_1'^2 + (v_1 - v_1')^2 = v_1'^2 + v_1^2 - 2v_1 v_1' + v_1'^2
\]
\[
v_1^2 = 2v_1'^2 + v_1^2 - 2v_1 v_1'
\]
\[
0 = 2v_1'^2 - 2v_1 v_1'
\]
\[
v_1' (v_1' - v_1) = 0
\]
解得 $v_1' = 0$ 或 $v_1' = v_1$。
若 $v_1' = v_1$,则 $v_2' = 0$,这与碰撞后两物体交换速度不符。
因此,$v_1' = 0$,$v_2' = v_1$。
即碰撞后 $m_1$ 的速度为 $0$,$m_2$ 的速度为 $v_1$。
答案:$0$。