碰撞球实验(这个有趣的碰撞实验中,居然隐藏着圆周率的秘密)

碰撞球实验。用两个小球做一个简单的实验,如上图所示。右边的球A,开始向左运动。左边的球B,一开始静止。碰撞之后,B也开始运动,接触到墙之后,就会反过来,向右运动。如此反复,要碰撞多少次才会停止呢?这就到了最有意思的地方来:若A的质量是B的100倍,就需要31次碰撞;若A的质量是B的10000倍,就需

碰撞球实验(这个有趣的碰撞实验中,居然隐藏着圆周率的秘密)

碰撞球实验。用两个小球做一个简单的实验,如上图所示。右边的球A,开始向左运动。左边的球B,一开始静止。碰撞之后,B也开始运动,接触到墙之后,就会反过来,向右运动。

如此反复,要碰撞多少次才会停止呢?

这就到了最有意思的地方来:

若A的质量是B的100倍,就需要31次碰撞;

若A的质量是B的10000倍,就需要314次碰撞;

若A的质量是B的1000000倍,就需要3141次碰撞;

若A的质量是B的100000000倍,就需要31415次碰撞;

……

看到了没有,这里出现了圆周率——圆周率的近似值是:3.1415,恰好与上面的数字相符。

那么,这里的圆周率从何而来呢?

物理学家理查德·费曼每次在公式中见到Pi时,,都常常问:「圆在哪里?」

对于这一个问题,我们也来看看,圆在哪里?

在这个问题中,有两个守恒量:能量与动量,而圆,就在能量守恒之中。

重要的事情重复一遍:圆,就在能量守恒之中!

两个小球的能量守恒表达式是这样的:

如果它们质量相等,那所有可能出现的(V_A, V_B)对,就都在一个圆上。

那如果质量不相等呢?我们定义一个新的量:

这样,能量守恒表达式就变成了:

不论什么时候,就都是一个圆了。

也就是这样

如果我们用很多点来表示碰撞前后,两个小球的状态,那它们一定在这个绿色的圆上。

在一开始,B球不动,A球运动,那么就可以用0号圆点表示现在的状态。

然后,A与B相碰,这个时候,就要考虑动量守恒了:

这个时候,我们有关于\ce_A的表达式:

是一条倾斜向下的直线。一开始,这条直线过0点,我们找到它与绿球的交点,那个点就是第一次碰撞后的状态,请看这张图:

第一次碰撞之后,系统变为1点的状态。而后,B球一定会先与墙壁碰撞,速度反向,那么就会到达2点。

这个时候,我们再重复前面的工作:绘制一条倾斜向下、斜率相同的直线:

如此重复,我们就通过作图的方法,得到了8个碰撞点的系统状态。系统在最后,A、B两球都向右,且A的速度大于B,此时系统不会再有新的碰撞。

好,那这与Pi又有什么关系呢?

我们再来看看那条倾斜向下的直线:

当m_A >> m_B时,这条直线的斜率就远小于1. 根据下面的图,由几何关系可以知道,δ=2θ。

对于任意选取的A点,我们有对面的B点,以及从A出发,顺时针旋转得到的C点。

我们的目标,是找到δ的表达式,如果δ=kθ那问题就非常非常简单,也非常非常美妙了!

根据几何关系,确定BC位置之后,圆上任意A点的角度不变,那么很容易就可以得到δ=2θ

到了这里,问题就极为清晰了!

每两次碰撞,就相当于在圆上旋转了δ=2θ 度,而且这个角度只与AB质量之比有关。与其他的东西都没有关系。

这个时候,我们代入m_A = 100,000,000m_B (10^8 m_B),那就有sqrt(m_B/m_A)=10^4,对于2Pi角度,需要旋转:

次,对应的,就是31415次碰撞!

Q.E.D

声明:该文观点仅代表作者本人,《家在公租房生活网》系信息发布平台,家在公租房生活网仅提供信息存储空间服务。
(0)
打赏 微信扫一扫 微信扫一扫 支付宝扫一扫 支付宝扫一扫

相关推荐

  • 注定爱上双子女的星座(注定错过双子女的星座)

    注定爱上双子女的星座,注定爱上二孩的星座很多人会觉得双子座是一个很难驾驭的人,因为双子座总是薄情寡义,天马行空,但这也是双子座的独特之处,那么有哪些注定爱上二孩的星座呢?人马星座有时候奇怪的人会吸引放荡不羁的灵魂。射手座爱上双子座。每个人都知道两个有趣的灵魂相爱是多么难得。双子座会被射手座活泼热情

    百科 2023年11月25日
    00
  • 电影中的杀青原指什么(中国文化知识100题,让孩子涨涨知识!)

    电影中的杀青原指什么?你知道“阳春白雪”最初是指什么吗?“美”字最初的含义是什么?“红娘”最早出现在哪部文学作品中?这些中国文化知识的你都了解吗?今天,这篇文章整理了中国文化知识100题,快和孩子一起来答题吧!011.现在我们常用“阳春白雪”和“下里巴人”指代高雅和通俗的文艺作品,请问这两个成语最初

    百科 2023年8月28日
    00
  • 仙女韩版学生时尚网名?

    一、仙女韩版学生时尚网名?韩版佳人 ,韩潮新向标,时尚韩佳人二、韩版时尚男装货源网?推荐穿什么旗舰店网上商城,里面有很多韩国当下十分流行的男装,很酷很帅,质量过硬,特别推荐几个牌子的韩版时尚男装: roro牌子的男装很帅很酷,富有男人魅力; hahamong这个牌子是韩国艺人MC梦和HAHA合办

    2023年10月20日
    00
  • 为什么通常在影楼的摄影师没有五险一金?

    劳动合同是对双方的一个约束和保证,比如公司不能随时炒掉你,炒你也要给你失业补偿金,而员工也不能说走就走,给公司运作带来麻烦,而是要提前一个月申请.诸如此类的所以很多地方都不签,也有很多员工也接受了这一点.五险一金也差不多的,首先在手续上比较麻烦,公司要多雇用一个人来办这些事,成本增加了,而且固定

    2023年10月1日
    00
  • 国庆节英语作文80字(英语范文背诵:关于National Day 的作文)

    国庆节英语作文80字。October 1st is National Day of our country, which is a public holiday for the whole country. It’s an important day that marks the beginning

    百科 2023年6月24日
    00
  • 打工皇帝(中国十大最强打工皇帝,最低身价105亿人民币)

    打工皇帝。一个人打工最高能赚多少钱,我告诉你最高650亿人民币,你相信吗?想必大家都听过打工不如做老板这句话,今天我为大家介绍10大打工皇帝。打工皇帝一词来源香港一部电影,打工皇帝指的是公司董事或高级行政管理人。这十大打工皇帝最低身价都有105亿元,当然上榜的人必须要靠股权,只靠收入几乎是不可能上榜

    百科 2023年8月1日
    00

发表回复

登录后才能评论
关注微信

联系我们

400-800-8888

在线咨询: QQ交谈

邮件:296358331@qq.com

工作时间:周一至周五,9:30-18:30,节假日休息