高中物理碰撞模型,这篇高中物理论文范文为免费优秀学术论文范文,可用于相关写作参考。
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摘 要:在高中物理的学习中,碰撞问题既是学习的重点又是学习的难點.碰撞涉及动量守恒和动能定理以及运动学问题.本文从碰撞的特点入手,分析碰撞问题的三个核心要素,对碰撞问题进行分类,证明完全非弹性碰撞动能损失最大,建立并分析动碰静模型及其应用,并对碰撞的三个推论进行论证.
关键词:碰撞特点;碰撞核心要素;碰撞分类;动碰静模型;碰撞推论
物理学习的本质就是对研究的对象进行科学的分析,通过科学的分析得到可靠的理论再将理论运用于解决物理模型 .对物理学的模型分析需要建立在科学的分析方法和遵守物理基本规律基础上.就碰撞模型来说,需要把握碰撞的核心要素,分析建立碰撞模型的条件,然后用碰撞模型解决物理学中的碰撞问题.
1 碰撞的定义和特点
1.1 碰撞的定义
碰撞是指处在相对运动状态的物体,在相遇的极短时间内物体的运动状态发生显著变化的过程.
1.2碰撞的特点
碰撞过程持续的时间即相互作用时间极短. 发生碰撞的过程中,相碰撞的物体受到的作用力先增大,后减小,发生时间极短,所以平均作用力极大 .在碰撞系统中,内力远大于外力.所以系统即使所受的外力之和不为零,外力也可忽略.系统的总动量守恒,即 + 等于 + .碰撞过程是瞬间发生的,时间极短,所以在物体发生碰撞的瞬间,可以忽略物体的位移,可以认为物体碰撞前后两物体的位置没有发生变化.碰撞发生的过程伴随着声、光、热等的产生,系统总机械能因此而损失,所以碰撞后系统的总动能必然小于或等于碰撞前,即 + ≤ + .
2 分析碰撞问题的三个核心要素
第一核心要素——动量守恒,因为碰撞过程“时间短”和“内力大”,所以即使在碰撞的极短时间内碰撞双方构成的系统所受的外力和不为零,也会由于极小的外力在极短的时间内形成的冲量可以忽略,从而使碰撞过程遵从动量守恒这一基本规律( + 等于 + ).
第二核心要素——动能不增.一方面,在碰撞过程中碰撞双方不能获得碰撞系统之外的机械能.另一方面,在碰撞过程中可能会留下不可恢复的形变而导致部分机械能损失.所以在碰撞过程中碰撞系统动能不增[4].
第三核心要素——速度合理.碰撞前两物体同向运动,则 ﹥ ,发生碰撞后,原来在前面的物体速度一定增大,且 ≤ .两个做相向运动的物体,如果发生碰撞,那么发生碰撞后它们的运动方向不会都改变,但有可能速度都为零[5].
3 碰撞的分类
3.1 按能量的转化关系分类
按照能量的转化可以把碰撞分为弹性碰撞、非弹性碰撞、完全非弹性碰撞. 弹性碰撞是指在理想情况下,物体碰撞后能够恢复形变,不发声、发热等的碰撞.没有动能的损失,又称完全弹性碰撞.真正的弹性碰撞只有在分子、原子以及更小微粒之间才会出现,高中物理中的碰撞因为动能损失很小,可忽略动能损失而看成弹性碰撞,即 等于 .非弹性碰撞是碰撞后碰撞系统不能够完全恢复形变的碰撞,即 > .完全非弹性碰撞指发生碰撞后系统的动能损失最大,碰撞后两物体粘在一起运动[6].
3.2 证明完全非弹性碰撞动能损失最大
设一质量为 速度为 的物体和一质量为 速度为 的物体发生碰撞,碰撞过程中损失的动能记为 .则:
等于( + )-( + ) (1)
对于A、B由动量守恒定律得:
+ 等于 + (2)
将(2)式两边同时平方,同时除以2( + )得:
等于 (3)
利用(3)式将(1)式作等量代换后得:
(4)
对(4)式前部份通分有:
+ - 等于
等于 等于
等于 (5)
对(4)式后部份做同样处理得:
+ - 等于 (6)
把(5)和(6)代入(4)得: 等于 - 由于 - 为定值且不等于零(否则不能发生碰撞),显然当 等于 时 有最大值,即碰撞后两物体一起以相同速度运动时(发生完全弹性碰撞)动能损失最大[7].
4 典型的碰撞模型
4.1动碰静模型分析
如图1所示,在光滑的水平面上质量为 的小球以速度 和质量为 的静止小球发生弹性碰撞.
(7)
(8)
联立(7)和(8)解得: 等于 、 等于
① 若 等于 ,可得 等于0、 等于 ,相当于两球交换速度.
② 若 > ,则 >0且 >0,即 和 均为正值,表示碰撞后两球的运动方向和 相同.
③ 若 》 ,则 - ≈ , + ≈ ,可得 等于 , 等于2 .表示 的速度不变, 以2 的速度被撞出去.
④ 若 < ,则 为负值,表示 和 方向相反, 被弹回.
⑤ 若 《 ,这时 - ≈ , ≈0, ≈- , 等于 ≈0,表示 被反向以原速率弹回,而 仍保持静止[8].
4.2 模型应用
例1:卢瑟福曾在一篇文章中写道:可以预言,当 粒子和氢原子相碰撞时,可以使氢原子迅速运动起来[9]. 粒子和氢原子质量之比约等于4,假设 粒子和氢原子发生完全弹性碰撞,试证明在发生碰撞后氢原子速度是 粒子发生碰撞前的1.6倍,也即氢原子能量和 粒子能量之比为0.64.
证明:设氢原子的质量为 , 粒子的质量为4 ,碰撞前 粒子的速度为 ,碰撞前氢原子的速度为0.发生弹性碰撞后 粒子的速度为 ,氢原子的速度为 ,由动量守恒和动能守恒得:
(9)
(10) 联立(9)和(10)解得: 等于1.6 ,入射 粒子的能量为 ,氢原子碰撞后的能量为 ,则: 等于0.64 原命题得证.
例2:如图2所示光滑水平面上有三个木块A、B、C,质量关系为 等于 , 等于 等于 ,开始时B、C均处于静止状态,A以初速度 向右匀速运动,A和B碰撞后又分开,B和C又发生碰撞并粘在一起,此后A和B之间的距离保持不变.求B和C碰撞前B的速度的大小.
结论:关于本文可作为高中物理方面的大学硕士与本科毕业论文高中物理常见44个模型论文开题报告范文和职称论文论文写作参考文献下载。
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