孟慶春 周松亮

(北京市順義區(qū)第一中學 北京 101300) (北京市順義區(qū)仁和中學 北京 101300)

碰撞問題是高中物理教學中的重點、難點, 它涉及到運動和力、動量、能量等力學重點知識，我們通常關注的是碰撞前后系統(tǒng)的運動狀態(tài)變化情況, 很少涉及碰撞過程中物體的相互作用力的情況，學生對碰撞過程中機械能守恒或不守恒缺乏深層次的理解.

下面結合自己的教學案例來說明如何利用信息技術來研究碰撞問題．

1 用力傳感器研究碰撞過程中的相互作用力

圖1是在氣墊導軌上用質量為241.5 g的滑塊去撞擊固定的力傳感器，在滑塊上安裝了彈簧圈,安裝彈簧圈的好處是彈簧圈受力后形變較明顯, 能延長碰撞相互作用的時間, 充分反映作用力的變化情況[1]．

圖1 在氣墊導軌上用滑塊撞擊力傳感器

實驗后在HPCI-4物理實驗數(shù)據(jù)系統(tǒng)可得到圖2所示F-t圖像，通過圖像我們可以形象地看出碰撞過程中相互作用力的變化情況, 點擊數(shù)據(jù)分析圖標后, 利用十字游標可以測出碰撞作用的時間約為68 ms，測出相互作用力的最大值約為11.9 N.

圖2 F-t圖像

當把相碰滑塊看成一個系統(tǒng)時, 碰撞力成為內(nèi)力，除碰撞力以外其他力在這一過程中是很小的，其他力主要是滑塊受到的總粘滯阻力fμ.

當滑塊運動速度不大時，總粘滯阻力fμ和滑塊速度v成正比，方向相反，

即

fμ=-bv

(1)

當導軌水平時，由式(1)可知

(2)

對式(2)作適當變形

得到

(3)

對式(3)兩邊同時積分

整理得

其中b稱為粘滯阻力系數(shù)，它是作為反映導軌與滑塊綜合性能的一個綜合性指標，其測定值可以用來作為導軌質量優(yōu)劣的判據(jù)之一．

實驗測得b的數(shù)據(jù)如下表1.

其中光電門A位置:40 cm,光電門B位置：80 cm，滑塊質量m=241.5 g.

表1 實驗數(shù)據(jù)

2 用HPCI-4物理實驗數(shù)據(jù)系統(tǒng)定量研究碰撞遵從的規(guī)律

從最簡單的碰撞開始定量研究.如圖3所示，在氣墊導軌上用一個質量大的滑塊(m1=241.5 g)去撞另一個靜止的質量較小的滑塊(m2=184.3 g)．

圖3 在氣墊導軌上研究兩滑塊的碰撞

打開力學實驗列表選擇“接觸類碰撞動量守恒”，在實驗主界面碰撞方式中選擇[靜碰](大碰小)，分別在滑塊上安裝彈簧圈，如圖4和圖5所示.

圖4 彈性碰撞

圖5 非彈性碰撞(滑塊間包上軟泡沫)

在實驗主界面碰撞方式中選擇完全非彈性碰撞[靜碰] ，碰撞材料選擇雙面膠(把隔離紙撕掉)，如圖6所示.

圖6 完全非彈性碰撞(滑塊間貼上軟面膠)

實驗數(shù)據(jù)采集完畢后，在實驗界面上方會出現(xiàn)一組碰前和碰后滑塊1和滑塊2運動的動量數(shù)據(jù)，從窗口菜單中選擇不同的表格可以看到動能數(shù)據(jù)以及它們的誤差分析．由于得到結果迅速, 學生有足夠的時間分析誤差存在的原因,并能把注意力放在了對實驗過程的理解和對物理規(guī)律的探索上.

具體實驗數(shù)據(jù)見以下各表.

實驗1:彈簧圈

表2 動量實驗數(shù)據(jù)

實驗表明,系統(tǒng)的末動量與初動量兩個值非常接近．考慮到兩個數(shù)值的差距可能是由阻力和測量誤差造成的, 于是可以做出推理: 在一維空間中, 幾個物體相互作用的過程中, 如果由它們組成的系統(tǒng)不受外力或者所受外力之合為零, 系統(tǒng)的動量守恒．

表3 能量實驗數(shù)據(jù)

實驗分析：彈簧圈先被壓縮, 將滑塊的動能轉化為彈簧圈的彈性勢能, 復原時又將彈性勢能轉化為滑塊的動能．由實驗數(shù)據(jù)可以看出,在上述過程中動能的損失很小, 可以認為系統(tǒng)的動能保持不變．

實驗2:軟泡沫

表4 動量實驗數(shù)據(jù)

表5 能量實驗數(shù)據(jù)

實驗3:雙面膠

表6 動量實驗數(shù)據(jù)

表7 能量實驗數(shù)據(jù)

實驗分析：在完全非彈性碰撞過程中, 雙面膠發(fā)生塑性形變, 將一部分動能轉化為內(nèi)能．由實驗數(shù)據(jù)可以看出,系統(tǒng)的動能損失接近50%了．非彈性碰撞動能損失要比完全非彈性碰撞動能損失要小．

3 結論

歸納上面各種情況下的相互作用, 可以得到以下結論.

當把相碰物看成一個系統(tǒng)時, 撞擊力成為內(nèi)力, 不會改變系統(tǒng)的總動量,所以系統(tǒng)的總動量守恒,碰撞中的機械能是否守恒，因接觸面的材質而異．如果產(chǎn)生的撞擊力是非保守力, 機械能就不會守恒[2]．

這次實踐讓筆者充分體會了信息技術與物理教學有機整合有利于突破教學重點和難點，有利于優(yōu)化物理教學過程,從而提高物理課堂教學的實效性．

參考文獻

1 劉克,盧慕稚,李正福．用力傳感器研究碰撞過程中的相互作用力．物理通報，2007(11):59

2 石志芬,郝文玲．利用傳感器研究碰撞問題．物理教師，2004，25(11)：40