碰撞问题综述_动量守恒定律论文

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碰撞问题的特点是物体间相互作用突然发生,持续时间极短,更重要的是在相撞物体相互作用的时间内,物体间的相互作用力很大,外力的作用通常远小于物体之间的相互作用,可以忽略,而认为碰撞过程中动量守恒。所以,碰撞问题一般可以用动守恒定律来研究解决。

一、碰撞中动量守恒的判断

对于碰撞问题,是否总能用动量守恒定律处理,关键是要判断是否满足动量守恒定律的适用条件。

例1 (1992年高考题)[参阅本期第60页例1]

二、磁撞中的动量和动能问题

碰撞问题若满足动量守恒,即相互作用的物体在发生作用前后,系统的总动量保持不变,但系统内物体的动能各自均发生变化。那么,系统的机械能是否也一定守恒呢?这就要通过具体分析加以判断,不能片面地(甚至是错误地)认为动量守恒,机械能也守恒。

1.动量守恒,机械能守恒

例2 (1989年高考题)在光滑水平面上有三个完全相同的小球排成一条直线。2、3小球静止并靠在一起,1球以速度v[,0]射向它们,如图2所示。设碰撞过程中不损失机械能,则碰后三个小球的速度可能值是

解析:这是三个物体在一直线上碰撞的问题,当然满足动量守恒。又题意明确“碰撞中不损失机械能”,故也满足机械能守恒,说明小球互相间碰撞是弹性碰撞。由于三小球质量相等,相互作用时均出现速度交换,即v[,1]=v[,2]=0,v[,3]=v[,0],应选(D)。

总结:在碰撞问题中,若系统内无耗散阻力作功,即满足动量守恒,亦满足机械能守恒。

2.动量守恒,机械能不守恒

例3 (1992年高考题)如图3所示,一质量为M、长为l的长方形木板B放在光滑的水平地面上,在其右端放一质量为m的小木块A,m<M,现以地面为参照系,给A和B以大小相等,方向相反的初速度,使A开始向左运动,B开始向右运动,但最后A刚好没有滑离B板。以地面为参照系,(1)若已知A和B的初速度大小为v[,0],求它们最后的速度大小和方向;(2)若初速度大小未知,求小木块A向左运动到达最远处(从地面上看)离出发点的距离。

解析:A、B组成的系统遵循动量守恒,但A在B上滑行时,系统有摩擦力做功转化为内能,故机械能不守恒。由题意分析,本题属完全非弹性碰撞问题。(1)由动量守恒得它们最后的速度大小为

(2)作两物体运动示意图如图4所示,由动量守恒定律得:

总结:由上例析可看出,完全非弹性碰撞问题只满足动量守恒,不满足机械能守恒,原因是碰撞过程中系统有能量损失。

三、物体系的合理选取

动量守恒定律不只适用于两个物体间的相互作用,也适用于更多个物体间的相互作用。若碰撞发生在两个以上物体之间时,是选两个物体作为研究系统,还是选两个以上物体作为研究系统(即存在物体系合理选取的问题),对简捷、正确解题关系很大。

例4 (1988年上海高考题)在光滑的水平面上,有一质量m[,1]=20kg的小车,通过一根几乎不可伸长的轻绳与另一个质量为m[,2]=25kg的平板拖车相连,一质量m[,3]=15kg的物体放在拖车的平板上,物体与平板间的动摩擦因数μ=0.2。开始时拖车静止,绳松弛,如图5所示。小车以v[,0]=3m/s速度前进。求:(1)最终三者的速度大小(平板车足够长)。

(2)物体m[,3]在平板车上移动的距离。(g取10m/s[2])

由上述解题过程不难看出,不选m[,1]、m[,2]为系统,只注意选三者为系统,就无法求得正确结果。

例5 (1995年辽宁省训练题)如图7所示,光滑水平面上有A、B两辆小车,质量

碰撞后,A、B整体与C通过细绳发生相互作用,直至三者速度相等时,球C上升到最大高度。

则会导致错解,因为A和B相撞时有机械能损失,说明三者作用的全过程机械能不守恒。可见合理选取系统是何等重要。

四、碰撞知识的综合应用

碰撞是力学问题,遵循的动量守恒定律是自然界的基本规律之一。较典型的还有电磁感应中的碰撞和原子物理中的碰撞。解决碰撞问题的关键是分析物理过程,透视物理规律,进而应用动量守恒定律以及相关物理知识解决问题。

例6 一质量为m的导体棒从h高处由静止起沿光滑导电轨道滑下,另一质量也为m的导体棒b静止在水平导轨上。在水平轨道区域有垂直于轨道平面向上的匀强磁场,如图8所示。两棒与轨道构成的回路最多能产生的焦耳热为____。

解析:导体棒沿光滑的导轨滑至水平轨道c处,由机械能守恒得

当进入磁场区域切割磁力线时,回路中产生感生电流,这样导电棒a、b均受安培力作用,使a棒作速度越来越小的变加速运动,b作速度越来越大的变加速运动,当两者速度相等时,a、b与导轨构成的回路面积不变,从而a、b以相同的收尾速度作匀速直线运动。由此可知,a、b棒间的相互作用类似完全非弹性碰撞,故满足动量守恒,得

例7 质量分别为m和M的两个粒子发生碰撞,碰撞前后两粒子都在同一直线上,在碰撞过程中损失的动能为定值E[,0],今要求碰撞前两粒子的总动能为最小,求碰撞前两粒子的速度大小和方向。

解析:设碰撞前两粒子的速度分别为v[,0]和V[,0],碰撞后两粒子的速度分别为v和V,都沿同一方向,根据动量守恒和能量守恒定律得:

(负号表示V[,0]与v[,0]方向反)。

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