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        高中物理類碰撞問題歸類分析

        2020-01-16 02:54:48
        物理之友 2019年12期
        關(guān)鍵詞:動(dòng)量子彈小球

        (湖北省松滋市第一中學(xué),湖北 松滋 434200)

        1 引言

        兩個(gè)相對(duì)運(yùn)動(dòng)的物體,在極短的時(shí)間內(nèi)發(fā)生相互作用,使各自運(yùn)動(dòng)狀態(tài)發(fā)生顯著變化的過程叫做碰撞。因?yàn)榕鲎策^程具有時(shí)間極短、作用力極大、位移極小等特點(diǎn),所以研究碰撞時(shí)采用了“黑匣子”思想:只聚焦碰撞前后的關(guān)系,忽略碰撞過程的細(xì)節(jié)。事實(shí)上,碰撞作為一種物理模型,其主要因素是相互作用,作用時(shí)間等均是次要因素。任何相互作用的兩個(gè)物體,當(dāng)不受外力作用,或所受外力極小、作用時(shí)間極短時(shí),它們之間的相互作用過程都可以看作是碰撞,本文稱之為類碰撞。分析研究類碰撞模型,可以從兩個(gè)視角展開:第一,碰撞模型有關(guān)結(jié)論直接遷移到類碰撞模型,擴(kuò)展了碰撞模型的運(yùn)用范圍;第二,深入分析相互作用過程,深度剖析碰撞模型。

        2 碰撞模型深度剖析

        2.1 “慢化”碰撞過程,把握內(nèi)涵實(shí)質(zhì)

        碰撞過程可以分為兩個(gè)過程:(1) 接觸階段,開始發(fā)生形變至形變最大,形變最大時(shí),兩物體速度相同(如圖1);(2) 分離階段,恢復(fù)形變至完全分離。能夠完全恢復(fù)形變的,屬于彈性碰撞,無動(dòng)能損失;不能完全恢復(fù)形變的,屬于非彈性碰撞,有動(dòng)能損失。碰撞后不分離的,稱之為完全非彈性碰撞。

        圖1

        2.2 “定格”典型情境,把握重要結(jié)論

        因?yàn)橄嗷プ饔玫膬蓚€(gè)物體不受外力,所以兩物體組成的系統(tǒng)動(dòng)量守恒。設(shè)碰撞前物塊A的速度為v0,物塊B靜止。設(shè)兩物塊的質(zhì)量分別為mA、mB。

        3 類碰撞模型分類分析

        3.1 “保守型”碰撞

        系統(tǒng)內(nèi)兩物體間的作用力做功是系統(tǒng)動(dòng)能變化的原因,若做功的力僅為重力、彈簧彈力或電場(chǎng)力等保守力,當(dāng)兩物體的速度相等時(shí),出現(xiàn)“類完全非彈性碰撞”現(xiàn)象,當(dāng)保守力做的總功為0時(shí),出現(xiàn)“類完全彈性碰撞”現(xiàn)象,我們把這類稱為“保守型”類碰撞。

        (1) 情景

        如圖2所示,在光滑水平長(zhǎng)直軌道上,放著兩靜止的小球A和B,輕彈簧一端固定在小球B上,另一端處于自由狀態(tài),兩小球質(zhì)量mA=mB=m,現(xiàn)突然給小球A一個(gè)向右的速度v0,試分析從開始運(yùn)動(dòng)到彈簧第一次恢復(fù)原長(zhǎng)這一過程中兩球的運(yùn)動(dòng)情況及能量變化情況。

        圖2

        圖3

        (2) 運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

        A球做加速度先增大后減小的減速運(yùn)動(dòng),同時(shí)B球做加速度先增大后減小的加速運(yùn)動(dòng),在t1時(shí)刻兩球達(dá)到共同速度v1,其v-t圖像如圖3。

        (3) 能量分析

        (4) 動(dòng)量分析

        拓展與歸納的情況如表1所示。

        表1

        續(xù)表

        3.2 “耗散型”碰撞

        若做功的力涉及摩擦力等耗散力,它們做功的代數(shù)和為負(fù)值,系統(tǒng)的動(dòng)能必然減小,不會(huì)出現(xiàn)“類完全彈性碰撞”現(xiàn)象,且當(dāng)兩物體的速度相等時(shí),出現(xiàn)“類完全非彈性碰撞”現(xiàn)象,我們把這類稱為“耗散型”碰撞。

        (1) 情景

        如圖4所示,質(zhì)量為M、長(zhǎng)為l的長(zhǎng)木板靜止放置于光滑水平面上,一顆質(zhì)量為m的子彈以水平速度v0射入木塊,恰好能從A中穿出,子彈在木塊中受到的阻力可視為恒力,且子彈可視為質(zhì)點(diǎn)。分析子彈穿越木板過程兩者的運(yùn)動(dòng)情況及能量變化情況。

        圖4

        圖5

        (2) 運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

        子彈做勻減速運(yùn)動(dòng),木塊做勻加速運(yùn)動(dòng),在t1時(shí)刻兩者達(dá)到共同速度v共,子彈恰好到達(dá)木板右邊緣處,其v-t圖像如圖5。

        (3) 能量分析

        (4) 動(dòng)量分析

        拓展與歸納的情況如表2所示。

        表2

        4 結(jié)語

        碰撞模型及其類碰撞模型是高中物理中一個(gè)重要的理想化過程模型,從物理觀念來看,碰撞模型涉及相互作用觀、運(yùn)動(dòng)觀、能量觀;從科學(xué)思維來看,需要學(xué)生進(jìn)行模型建構(gòu)、科學(xué)推理等;從科學(xué)探究來看,探究碰撞中的不變量,需經(jīng)歷提出問題、尋找證據(jù)、推理解釋、分享交流等環(huán)節(jié);從科學(xué)態(tài)度來看,通過對(duì)碰撞現(xiàn)象的探究學(xué)習(xí),有利于學(xué)生認(rèn)識(shí)科學(xué)本質(zhì),最終形成科學(xué)態(tài)度和責(zé)任。通過研究碰撞前后動(dòng)量、能量關(guān)系,能夠從“宏觀”上認(rèn)識(shí)物理規(guī)律;就類碰撞模型進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析,能夠很好地認(rèn)識(shí)相互作用過程細(xì)節(jié),從“微觀”上深度剖析物理過程。把碰撞模型和類碰撞模型綜合起來進(jìn)行教學(xué),可以起到相互補(bǔ)充的教學(xué)效果,有利于學(xué)生核心素養(yǎng)的提升。

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