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        利用 -t圖透視各類碰撞

        2017-12-01 06:56:13馬永毅
        物理教師 2017年11期
        關(guān)鍵詞:質(zhì)量

        馬永毅

        (河北辛集中學(xué),河北 辛集 052360)

        ·問(wèn)題討論·

        馬永毅

        (河北辛集中學(xué),河北 辛集 052360)

        本文將利用v-t圖展示不同類型的碰撞,同時(shí)系統(tǒng)總結(jié)了所涉及到的關(guān)于碰撞的規(guī)律,具體包括3類: (1) 根據(jù)恢復(fù)系數(shù)不同劃分的3類碰撞; (2) 根據(jù)兩球質(zhì)量不同劃分的5類碰撞及其相關(guān)的二級(jí)結(jié)論; (3) 根據(jù)兩球速度不同劃分的5類碰撞,并著重研究了不同碰撞相互轉(zhuǎn)換的條件及方法.

        碰撞;速度-時(shí)間圖像;類型

        在高考試題中以碰撞為背景的試題較多,但碰撞的種類繁多,與碰撞相關(guān)的二級(jí)結(jié)論也比較多,而研究碰撞問(wèn)題應(yīng)用的規(guī)律主要是動(dòng)量守恒、能量守恒.這兩個(gè)規(guī)律又是高考的重點(diǎn)、熱點(diǎn).有效地掌握這些類型各異的碰撞、熟練地應(yīng)用碰撞的規(guī)律,需要對(duì)碰撞有更深刻系統(tǒng)的認(rèn)識(shí).本文將利用v-t圖展示不同類型的碰撞,同時(shí)系統(tǒng)總結(jié)了所涉及到的有關(guān)碰撞的二級(jí)結(jié)論,使學(xué)生對(duì)碰撞有更深刻的理解.

        1 根據(jù)恢復(fù)系數(shù)不同劃分的3類碰撞

        圖1

        圖3

        2 根據(jù)兩球質(zhì)量不同劃分的5類碰撞

        針對(duì)完全彈性碰撞,兩球質(zhì)量不同造成的結(jié)果也將不同.

        (1) 質(zhì)量相等的兩個(gè)小球發(fā)生完全彈性碰撞,結(jié)果交換速度.

        如圖5所示,由于兩球質(zhì)量相等,1線段、2線段的斜率大小相同,整個(gè)圖形相對(duì)于虛線pt0對(duì)稱,可得兩球碰后交換速度.

        (2)m1gt;m2,兩個(gè)小球發(fā)生完全彈性碰撞,如圖6所示,1線段斜率的大小小于2線段的斜率,整個(gè)圖形相對(duì)于p點(diǎn)對(duì)稱.

        圖5

        (3)m1lt;m2,兩個(gè)小球發(fā)生完全彈性碰撞,如圖2所示,1線段斜率的大小大于2線段的斜率,整個(gè)圖形相對(duì)于p點(diǎn)對(duì)稱.

        (4)m1?m2,也就是質(zhì)量非常大的1球追上質(zhì)量非常小的2球發(fā)生完全彈性碰撞,如圖7所示,1線段斜率趨于0,2線段斜率趨于無(wú)限大,碰撞時(shí)間t1到t2也非常短,結(jié)果,1球速度幾乎不變v1′≈v1,2球被碰后速度增加了碰前兩球相對(duì)靠近速度的2倍,v2′≈v2+2(v1-v2).如圖8所示,如果碰前2球速度為0,則v1′≈v1,v2′≈2v1,即碰后1球速度幾乎不變,2球獲得1球速度2倍.

        圖7

        (5)m1?m2,也就是質(zhì)量非常小的1球追上質(zhì)量非常大的2球發(fā)生完全彈性碰撞,如圖9所示,1線段斜率趨于無(wú)限大,2線段斜率趨于0,碰撞時(shí)間t1到t2也非常短,結(jié)果,2球速度幾乎不變v2′≈v2,1球碰后速度減少了碰前兩球相對(duì)靠近速度的2倍,v1′≈v1-2(v1-v2).如圖10所示,如果碰前2球速度為0,則v1′≈-v1,v2′≈v2,即碰后1球被原速率反彈,2球速度幾乎不變.

        圖9

        3 根據(jù)兩球速度不同劃分的5類碰撞

        (1) 碰前碰后速度各異的5類碰撞,以完全彈性碰撞為例.

        圖11

        第一類:碰前兩球速度同向,碰后兩球速度均沿該方向,如圖11所示.

        第二類:碰前兩球速度同向,碰后1球速度反向,如圖12所示.

        圖12

        圖14

        第三類:碰前2球速度為0,碰后1球速度反向,如圖13所示.

        第四類:碰前兩球相向運(yùn)動(dòng),碰后兩球均反向運(yùn)動(dòng),如圖14所示.

        第五類:碰前兩球相向運(yùn)動(dòng),碰后兩球同向運(yùn)動(dòng),如圖15所示.

        (2) 兩球兩次碰撞程度完全相同的條件.

        只要有確定質(zhì)量、確定材料的兩個(gè)小球相對(duì)速度相等,無(wú)論兩球碰前是同向還是反向,無(wú)論兩球碰前速度為多大,無(wú)論兩球發(fā)生的是完全彈性碰撞、完全非彈性碰撞還是非完全彈性碰撞,也無(wú)論兩球質(zhì)量差距是多少,兩球的碰撞時(shí)間、碰撞的程度是完全相同的.

        圖16

        如圖16所示,設(shè)質(zhì)量確定的兩個(gè)球發(fā)生了兩次完全彈性碰撞,碰前其相對(duì)速度相等v1-v2=v3-v4.由v-t圖可判斷這兩次碰撞只是圖形整體上下平移而已,其余無(wú)任何差距,進(jìn)而可推得兩次碰撞時(shí)間相同,碰撞的情況也相同.

        (3) 兩球兩次碰撞相互轉(zhuǎn)換的方法.

        從v-t圖上觀察可以得到一個(gè)結(jié)論,兩次碰撞碰前相應(yīng)球速度的差值與碰后相應(yīng)球速度的差值均相等,即v1′-v3′=v1-v3=v2′-v4′=v2-v4=Δv,其中Δv是兩次碰撞相互轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵量.這樣只要質(zhì)量及材料確定的兩個(gè)球碰前相對(duì)速度相等,就可以利用Δv將一種碰撞轉(zhuǎn)換成另一種碰撞.

        根據(jù)上述的推導(dǎo),結(jié)論是否成立與碰撞究竟屬于彈性碰撞還是非彈性碰撞無(wú)關(guān),因此對(duì)這些碰撞均適用;兩球質(zhì)量的差距只影響圖線的傾斜程度,也不影響結(jié)論的成立.

        (4) 通過(guò)轉(zhuǎn)換對(duì)復(fù)雜的碰撞進(jìn)行簡(jiǎn)化.

        圖17

        既然有確定質(zhì)量、確定材料的兩個(gè)小球相對(duì)速度相等,碰撞的情況就完全相同,就可以進(jìn)行兩次碰撞的相互轉(zhuǎn)換,因此所有復(fù)雜的碰撞都會(huì)對(duì)應(yīng)自己的一動(dòng)碰一靜的簡(jiǎn)單的碰撞如圖17所示.

        1 漆安慎,杜嬋英.力學(xué)[M].北京: 高等教育出版社,1997: 180-188.

        2017-05-12)

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