题目
半径均可忽略的弹性小球与大球质量满足 \(M\gg m\)。小球从高度 \(h_1\) 处随大球一起自由下落，大球与地面碰撞后，小球反弹到高度 \(h_2\)。比较坚硬地面与弹性地面两种情况（多选）。
选项
- A. 坚硬地面上 \(h_2\approx3h_1\)
- B. 坚硬地面上 \(h_2\approx9h_1\)
- C. 弹性地面上 \(h_2\gg h_1\)
- D. 弹性地面上 \(h_2\approx h_1\)
学习定位
碰撞与反冲
题族：弹性碰撞与可行性
训练能力：分阶段选择系统、动量与能量联合
前置知识：动量定理、机械能守恒
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参考答案
分步解析
1. 条件提取
标出碰前与碰后状态，规定正方向；短时碰撞先判断外力冲量能否忽略。
2. 系统与方程
按阶段选择研究系统，动量守恒与机械能守恒分别检查，不能因动量守恒就默认动能不变。
3. 计算与判断
坚硬地面使大球近似以原速反弹向上，小球仍向下，二者弹性碰撞后小球速度约为落地速度的 3 倍，所以高度约为 9 倍。若地面自身可自由反冲，能量会在大球与地面间重新分配，小球不获得这种速度叠加，近似回到原高度。
4. 结论
答案为 **BD**。最后检查速度方向、总动量和碰后动能是否符合碰撞类型。
初学者探索过程
从“弹性碰撞与可行性”开始探索
先把“第8题：小球叠放反弹”还原成可复用的物理模型。下面两步先要求预测和解释，再展开检验。
每个阶段先暂停并写下自己的判断，再对照后面的检查与修正。
1. 先排除本题最容易出现的误判
先回答：暂不代入数据。阅读“第8题：小球叠放反弹”后，判断为什么“只检查动量守恒，不检查碰后动能是否增加以及两物体是否已经分离”会导致错误，再写出研究对象、过程边界和首先要确定的“分阶段选择系统、动量与能量联合”。
我先想到：最值得警惕的不是算错，而是：只检查动量守恒，不检查碰后动能是否增加以及两物体是否已经分离。
检查这个想法：先执行：先划分碰撞、相互作用和分离阶段，再为每一阶段选择系统并规定正方向。再检查题设中的方向、接触、阶段或临界条件是否已经进入模型。
修正之后：本题解析中的关键关系为：
\[\vec I_{\rm ext}=\Delta\vec p,\qquad \sum\vec p_{\rm i}=\sum\vec p_{\rm f}\]
先建立关系，再决定哪些数值需要代入。
留下的方法：本题族的母题动作是“先划分碰撞、相互作用和分离阶段，再为每一阶段选择系统并规定正方向”；看到新情境时应复用这个动作，而不是复用答案。
2. 观察会使“分阶段选择系统”发生转折的条件
先回答：改变动画中的一个关键参数，指出哪个时刻、方向、图像趋势或临界条件最先发生变化；再说明“短时作用中的总动量取决于外力冲量；机械能是否守恒和碰撞后的分离条件必须另行判断”为什么仍成立。
我先想到：若只比较动画外观，我可能忽略“动量与能量联合”已经改变。
检查这个想法：把变化前后都放回关系：
\[\vec I_{\rm ext}=\Delta\vec p,\qquad \sum\vec p_{\rm i}=\sum\vec p_{\rm f}\]
逐项区分模型不变量与由参数决定的结果。
修正之后：真正保持的是：短时作用中的总动量取决于外力冲量；机械能是否守恒和碰撞后的分离条件必须另行判断。数值结论需要在新条件下重新计算并检查边界。
留下的方法：与同题族其他题相比，本题真正需要追踪的是“分阶段选择系统、动量与能量联合”如何受条件变化控制。
现实同构案例
碰撞试验、反冲推进与缓冲设计：现实中的“弹性碰撞与可行性”
现实场景
车辆碰撞试验、牛顿摆、火箭喷气和枪炮反冲都通过测量碰撞前后速度来追踪动量交换与能量去向。
题目与现实如何对应
题目中的碰撞物体、可动载体和喷出质量对应现实中的试验小车、运载器与推进剂，速度变化对应冲量和反冲效果。 当前题目“第8题：小球叠放反弹”训练的“分阶段选择系统、动量与能量联合”正是完成这种映射时需要识别的量。
不变的物理模型
本题可使用关系：
\[\vec I_{\rm ext}=\Delta\vec p,\qquad \sum\vec p_{\rm i}=\sum\vec p_{\rm f}\]
更一般的模型关系是：
\[\vec I_{\mathrm{ext}}=\Delta\vec p,\qquad \sum\vec p_{\mathrm i}=\sum\vec p_{\mathrm f}\]
短时作用中的总动量取决于外力冲量；机械能是否守恒和碰撞后的分离条件必须另行判断，因而动画与现实案例共享同一控制结构。
现实中还要补上的因素
- 真实碰撞存在形变、转动和声热损耗。
- 喷气与接触力通常随时间变化，不能只看峰值。
带回原题想一想
把“第8题：小球叠放反弹”改写成上述现实场景后，应测量哪三个物理量，怎样用同一主关系判断结果是否满足安全或运行边界？
查看参考答案与评分要点
参考答案
先测量题目所对应的状态量、控制参数和边界量，再按“先划分碰撞、相互作用和分离阶段，再为每一阶段选择系统并规定正方向”建立模型。可先使用：
\[\vec I_{\rm ext}=\Delta\vec p,\qquad \sum\vec p_{\rm i}=\sum\vec p_{\rm f}\]
把测量值代入后，还必须检查方向、接触、阶段或临界条件；只有主方程和边界条件同时满足，现实结论才成立。
评分要点
- 指出现实对象与题目研究对象、过程边界的对应关系。
- 写出或说明关系 \[\vec I_{\rm ext}=\Delta\vec p,\qquad \sum\vec p_{\rm i}=\sum\vec p_{\rm f}\]，并解释关键变量。
- 说明至少一个现实修正因素，并完成安全或临界条件检查。
变式练习
进阶近似题：含恢复系数的正碰
质量为 \(m\) 与 \(2m\) 的两球相向运动，碰前速度分别为 \(u\) 和 \(-u/2\)，恢复系数为 \(e\)。求碰后速度，并讨论何时发生二次碰撞。
变式答案
联立动量守恒与 \(v_2-v_1=e(u_1-u_2)\)，再按碰后相对速度判断是否再次接近。
思路提示
先规定统一正方向；恢复系数约束的是分离相对速度与接近相对速度之比。