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《高中物理思维方法集解》参考系列——参考资料:关于弹性碰撞的思索
2017-08-20 | 阅:  转:  |  分享 
  
参考资料:关于弹性碰撞的思索

学习过程是一种发现问题并解决问题的过程。众所周知,物体间的一维弹性碰撞过程同时满足动量守恒定律和能量守恒定律,那么这种规律是否具有普遍性,在其中是否还有什么特别之处,这种规律在同类过程中能否使用呢?那么我们来看一下它的推导过程。如图1,由动量守恒定律和能量守恒定律得:

+=+①

+=+②

联解以上两个方程得

=③

=④

从实际意义可知:③、④两式分别表示碰撞后两个物体的速度。

从④式可知,如果=0,能得到:=,=,

再进一步可从二者的质量大小关系及实际结合推导。可得出质量不同时二者碰后的速度方向可能性与大小的取值范围。即:

结论一:若被碰球最初静止:当入射球的质量大于被碰球的质量时,入射球运动速度变小,但方向不变。而被碰球的速度满足:;当入射球的质量小于被碰球的质量时,入射球的运动方向将反向。

由④式可知,如果两个物体的质量相等,能得到:=,=即:

结论二:相等质量的物体在弹性碰撞前后二者相互交换速度矢量。

当二物体压缩最大时,速度相同,令为,由动量守恒定律可得:

+=(+)

故=(+)/(+)⑤

由③④⑤得:

=(+)/2=(+)/2⑥

结论三:发生弹性碰撞前后,同一物体的速度平均等于系统内的物体能达到的相同(或质心的)速度。

由实际情况分析可知,当物体间压缩最大时弹性势能最大,对应系统的总动能最小。其减小量为:

=+-(+)⑦

由⑤⑦得:

=/(+)

结论四:弹性碰撞物体间压缩形变最大时总动能减少最多,即发生弹性碰撞的物体的速度从不同到相同过程,总动能减小。其减小量满足=/(+)

以下就结论三与四举例说明其应用.

在光滑的水平地面上有两个相同的弹性小球A、B,质量都为,现B球静止,A球向B球运动,发生正碰。已知在碰撞过程中总机械能守恒。两球压缩最紧时弹性势能为,则碰前A球的速度等于:()

A. B. C. D.

分析:此过程属于合二为一的过程,由结论四可得=,故选C。

如图2所示,质量分别为和的小车A和B放在水平面上,小车A的右端连着一水平轻弹簧,处于静止。小车B从右面以某一初速度驶来,与轻弹簧相碰,之后,小车A获得的最大速度为V,如果不计摩擦,也不计相互作用过程中的机械能的损失,求小车B的初速度大小。

分析:此过程两车通过弹簧相互作用,同样满足动量守恒定律和能量守恒定律。由分析可知,当弹簧再次恢复为自然长度时A的速度达最大,由结论三得A、B能达到的相同速度与A在作用前、后的速度间满足:=V/2,结合=(+),可得=(+)V/2.

如图3,A、B、C三物块质量均为,置于光滑水平面上,B、C间夹有已完全压紧不能再压缩的弹簧,两物块用细绳相连,使弹簧不能伸展,物块A以速度沿B、C连线方向向B运动,相碰后,A和B、C粘合在一起,然后连接B、C的细绳因受扰动而突然断开,弹簧伸展从而使C与A、B分离,脱离弹簧后C的速度为。求弹簧所释放的势能。

分析:由题意可知分离时A、B的速度相同,令为,对三者组成的系统,在全过程中由动量守恒定律可得=+,又由于A、B与C的分离属于一分为二的过程,是合二为一的过程的逆过程,同样由结论四可得:=.

一轻质弹簧,两端连接两滑块A和B,已知,,静止放在光滑水平桌面上,开始时弹簧处于原长。现滑块A被水平飞来的质量,速度的子弹击中,且没有穿出,如图4所示,试求:①以后运动过程中弹簧的最大弹性势能;②A在运动过程中能达到的最小速度和B能达到的最大速度。

分析:C、A结成整体时速度相同,令为,由动量守恒定律得,故,此时,A、C与B作用,由结论四可得最大弹性势能E==6J,当弹性势能最大时,三者速度相同,令为,由三者组成的系统满足动量守恒定律,,故,当弹簧第一次恢复原长时,弹簧对B无向右的弹力,此时B的速度有最大值,由结论三得 .此时A的速度.说明A的运动已经反向,故A的速度在此之前已达最小值0.

如图5所示,长木板质量为,长,位于光滑水平地面上,以速率向左运动。质量为的小木块从左侧以某一速率冲上长木板且没有滑下来,已知长木板与小木块之间的动摩擦因数为,求小木块的初速。

分析:此过程二物体组成的系统的总动量与能量仍然守恒,但总动能转化为内能,同样的道理可由结论四得该过程中生热为:,再由摩擦生热的规律可得,联解即可得出。由本例可以看出结论四并不一定只适用于弹性碰撞过程。

在使用以上结论时需要注意速度的矢量性。

在学习过程中要学会提出问题,并通过一定的思维过程达到解决问题的目的。要学会通过一模多题、多题一解模式达到做一道题就会做一类题,从而跳出题海,提高效率的目的。































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