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        “子彈打木塊”模型中“v-t”圖像面積表示的意義

        2023-07-06 17:38:08黃偉
        物理教學(xué)探討 2023年6期
        關(guān)鍵詞:碰撞

        黃偉

        摘? ?要:碰撞問(wèn)題是動(dòng)量守恒定律和能量轉(zhuǎn)化與守恒定律的重要模塊,“子彈打木塊”是碰撞問(wèn)題中一個(gè)典型的物理模型。結(jié)合幾種典型“類(lèi)子彈打木塊”模型,分析其中的能量轉(zhuǎn)化關(guān)系,并從“v-t”圖像及其等效處理的角度分析其中的功能關(guān)系,總結(jié)其通用的規(guī)律,以達(dá)到事半功倍、觸類(lèi)旁通的目的。

        關(guān)鍵詞:碰撞;子彈打木塊;圖像面積

        中圖分類(lèi)號(hào):G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A ? ? 文章編號(hào):1003-6148(2023)6-0056-4

        1? ? 物理模型與類(lèi)碰撞

        1.1? ? 物理模型及模型建構(gòu)的意義

        科學(xué)建模教學(xué)理論提出者海斯特斯(Hestenes)指出,“物理研究(學(xué)習(xí))的過(guò)程即是對(duì)自然世界建模的過(guò)程”。自然界紛繁復(fù)雜,研究的實(shí)際問(wèn)題往往有眾多的因素,為了研究問(wèn)題的方便,在物理學(xué)中,常常采用“簡(jiǎn)化”或“理想化”的方法對(duì)實(shí)際問(wèn)題進(jìn)行科學(xué)抽象處理,突出問(wèn)題的主要因素,忽略次要因素,得到一種能反映原物質(zhì)本質(zhì)特性的理想物質(zhì)(條件、過(guò)程、狀態(tài)、結(jié)構(gòu)等),即為“物理模型”。在物理教學(xué)中,構(gòu)建物理模型,可以化繁為簡(jiǎn),從而觸類(lèi)旁通。

        1.2? ? 碰撞與類(lèi)碰撞模型

        碰撞基本模型的特點(diǎn)是作用時(shí)間很短,相互作用的內(nèi)力很大,外力往往可以忽略不計(jì),碰撞過(guò)程遵循動(dòng)量守恒定律。碰撞是一種理想化過(guò)程模型,其主要因素是相互作用,次要因素是作用時(shí)間。從廣義上理解,任何一個(gè)相互作用的系統(tǒng),當(dāng)不受外力或內(nèi)力遠(yuǎn)大于外力時(shí),其相互作用過(guò)程均可視為碰撞,稱(chēng)為“類(lèi)碰撞”模型。只要系統(tǒng)作用前后動(dòng)量守恒、系統(tǒng)最終速度相同,則可建構(gòu)成“類(lèi)完全非彈性碰撞”模型,子彈打木塊就是一種典型的“類(lèi)完全非彈性碰撞”模型。

        2? ? “子彈打木塊”模型中的功能問(wèn)題

        2.1? ? “子彈打木塊”原型

        如圖1所示,一質(zhì)量為mA的子彈以初速度v0水平射入質(zhì)量為mB且靜止在光滑水平面上的木塊(未擊穿),射入深度為d,設(shè)子彈與木塊的相互作用內(nèi)力恒為f。

        子彈-木塊系統(tǒng)間的摩擦力做的總功為負(fù)功,將系統(tǒng)動(dòng)能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能。碰撞問(wèn)題中還有很多“類(lèi)子彈打木塊”模型,通過(guò)一對(duì)相互作用內(nèi)力做負(fù)功,將系統(tǒng)的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為其他形式的能。

        2.2? ? 幾種典型的“類(lèi)子彈打木塊”模型

        2.2.1? ? 動(dòng)能轉(zhuǎn)化為彈性勢(shì)能或電勢(shì)能

        如圖2所示,在光滑水平面上,小球B靜止,小球A以初速度v0壓縮彈簧至共速的過(guò)程,系統(tǒng)通過(guò)彈簧彈力做負(fù)功,將系統(tǒng)的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為彈性勢(shì)能。同理,如圖3所示,在光滑水平面上,放置著帶同種電荷的小球A,B,小球B靜止,小球A以初速度v0沖向B至共速(未相遇)的過(guò)程,系統(tǒng)通過(guò)庫(kù)侖力做負(fù)功,將系統(tǒng)的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電勢(shì)能。這兩種情況的v-t圖像均如圖4所示。

        2.2.2? ? 動(dòng)能轉(zhuǎn)化為重力勢(shì)能

        如圖5所示,在光滑水平面上,靜止放置著帶有光滑圓弧曲面(底部與桌面相切)的滑塊B,小球A以初速度v0沖向B,至小球A上升到最高點(diǎn)與B共速的過(guò)程(設(shè)小球未越過(guò)滑塊),系統(tǒng)間相互作用彈力做功代數(shù)和為零。實(shí)質(zhì)為小球A與地球構(gòu)成的系統(tǒng)間相互作用引力做負(fù)功,將系統(tǒng)的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為重力勢(shì)能,v-t圖像如圖6所示。

        2.2.3? ? 動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能再轉(zhuǎn)化為焦耳熱

        如圖7所示,足夠長(zhǎng)的光滑平行雙金屬導(dǎo)軌固定于水平面上,置于方向豎直向上的勻強(qiáng)磁場(chǎng)中,導(dǎo)體棒B靜止于導(dǎo)軌上,導(dǎo)體棒A以初速度v0沖向B,至導(dǎo)體棒A,B共速的過(guò)程(未相遇),系統(tǒng)通過(guò)一對(duì)安培力做負(fù)功,將系統(tǒng)的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能,再轉(zhuǎn)化為焦耳熱,v-t圖像如圖8所示。

        “類(lèi)子彈打木塊”過(guò)程中動(dòng)量及能量關(guān)系均與“子彈打木塊”原型相同,只需分析始末狀態(tài),無(wú)需考慮中間過(guò)程,這也正體現(xiàn)了動(dòng)量守恒定律的優(yōu)越性。

        3? ? v-t圖像面積對(duì)“子彈打木塊”模型中功能的表示

        “子彈打木塊”模型中,由于相互作用力f為恒力,那么對(duì)應(yīng)的功W=fx,與其對(duì)應(yīng)的位移成正比,則可以把對(duì)應(yīng)的功能關(guān)系用系統(tǒng)v-t圖像對(duì)應(yīng)的線(xiàn)性面積來(lái)表示;上述“類(lèi)子彈打木塊”模型中,由于系統(tǒng)間相互作用力F為變力,若對(duì)應(yīng)的功用F對(duì)相應(yīng)的位移x積分,則很復(fù)雜,此時(shí)系統(tǒng)v-t圖像對(duì)應(yīng)的面積也為非線(xiàn)性的。但由上述分析可知,“類(lèi)子彈打木塊”過(guò)程中動(dòng)量及能量關(guān)系均與“子彈打木塊”模型相同,只需分析始末狀態(tài),無(wú)需考慮中間過(guò)程,則仍然可以借助“子彈打木塊”模型中的v-t圖像所對(duì)應(yīng)的線(xiàn)性面積來(lái)等效表示“類(lèi)子彈打木塊”模型對(duì)應(yīng)的功能。用v-t圖像面積表示的意義在于,從幾何的角度直觀地呈現(xiàn)了“類(lèi)子彈打木塊”模型的功能關(guān)系。

        3.1? ? 用v-t圖像面積分析“子彈打木塊”模型原型中的恒力做功中的功能關(guān)系問(wèn)題

        3.2? ? 借助恒力做功v-t圖像等效分析“類(lèi)子彈打木塊”模型中非勻變速運(yùn)動(dòng)功能關(guān)系問(wèn)題

        4? ? 結(jié)? ?語(yǔ)

        由上可知,用v-t圖像面積表示“子彈打木塊”模型的功能關(guān)系或等效地表示“類(lèi)子彈打木塊”模型的功能關(guān)系,非常形象直觀、簡(jiǎn)單明了,同時(shí)也體現(xiàn)了物理模型的意義。在物理教學(xué)中,善于建構(gòu)物理模型,有利于發(fā)展學(xué)生的科學(xué)思維,提升物理學(xué)科核心素養(yǎng)。

        參考文獻(xiàn):

        [1]翟小銘,郭玉英.科學(xué)建模能力評(píng)述:內(nèi)涵、模型及測(cè)評(píng)[J].教育學(xué)報(bào),2015,11(6):75-82,106.

        [2]胡壯麗.以“彈性碰撞和完全非彈性碰撞”為例談提升高中生模型建構(gòu)能力[J].物理教學(xué)探討,2020,38(11):40-44.

        [3]任佩璐,張兵榮.2003版與2017版物理課程標(biāo)準(zhǔn)中物理模型及建模的比較研究[J].物理教師,2021,42(3):2-6.

        [4]劉勝華.物理模型教學(xué)與創(chuàng)新能力的培養(yǎng)[J].物理教學(xué),2009,39(4):7-9.

        (欄目編輯? ? 蔣小平)

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