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- 2021-05-26 发布
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4 碰撞
互动课堂
疏导引导
1.为什么不能用牛顿第二定律解决碰撞问题
牛顿第二定律常用于解决恒力作用的问题,碰撞物体之间的相互作用力是变化的而且变化较快,尽管从理论上讲也可以用牛顿第二定律来研究力的瞬时作用效果,但实际上难以操作.
2.碰撞的三种类型
碰撞的过程由于作用时间短,内力远大于外力,不论相互碰撞的物体所处的平面是否光滑都可以认为系统动量守恒,但根据碰撞过程中机械能的损失情况可将碰撞分为三种类型.
(1)完全非弹性碰撞:两物体碰后合为一个整体,以共同的速度运动,这种碰撞机械能损失最多.
(2)弹性碰撞:两物体碰后很短时间内分开,发生的是弹性形变,机械能无损失.
(3)非弹性碰撞:两物体碰后虽能分开,但碰撞时间较长,机械能有损失,但不如完全非弹性碰撞的机械能损失大.这种类型的碰撞在练习题中出现得不多.
案例
光滑水平面上,假设物体m1以速度v1与原来静止的物体m2发生弹性碰撞,碰撞后它们的速度分别为v1′和v2′.求v1′与v2′.
【解析】 m1和m2相碰后的过程中,水平方向只受碰撞的相互作用力,不受外力,水平方向上动量守恒,则由动量守恒定律得m1v1=m1v1′+m2v2′
又因为在碰撞过程中,机械能守恒:
由以上两式不难得出
①
.②
【讨论】
(1)当m1=m2时,即两个物体质量相等.这时m1-m2=0,m1+m2=2m1,由①②两式,有v1′=0,v2′=v1.
这表示第一物体的速度由v1变为零,而第二个物体由静止开始运动,运动的速度等于第一个物体原来的速度.
(2)若m1m2,即第一个物体的质量比第二个物体大得多,这时m1-m2≈m1,m1+m2≈m1,由①②两式有:
v1′=v1,v2′=2v1
这表示碰撞后第一个物体的速度没有改变,而第二个物体以2v1的速度被撞击出去.
(3)若m1m2,即第一个物体的质量比第二个物体小得多.
这时m1-m2≈-m2, ≈0,根据①②两式有v1′=-v1,v2′=0
这表示碰撞以后第一个物体撞了回去,以原来的速率反向运动,而第二个物体仍然静止.
活学巧用
【例1】 下列说法正确的是( )
A.两小球正碰就是从正面碰撞
B.两小球斜碰就是从侧面碰撞
C.两小球正碰就是对心碰撞
D.两小球斜碰就是非对心碰撞
思路解析:两小球碰撞时的速度沿着连心线方向,称为正碰,即对心碰撞;两小球碰前的相对速度不在连心线上,称为斜碰,即非对心碰撞.
答案:CD
【例2】 举例说明生活中哪些碰撞是完全非弹性碰撞.
思路解析:完全非弹性碰撞的两物体碰后完全不反弹,动能损失最大,如一块泥巴摔在地上,一把刀插入木头中拔不出来,子弹射入木块中没有射出,火车站里,一列火车以一定的速度碰撞一列静止的车厢后共同前进,实现挂接.
【例3】 质量m1=10 g的小球在光滑的水平面上以v1=30 cm/s的速率向右运动,恰遇上质量m2=50 g的小球以v2=10 cm/s的速度向左运动,碰撞后,小球m2恰好静止.那么碰撞后小球m1的速度是多大?方向如何?
思路解析:设v1的方向为正方向(向右),则v1=30 cm/s,v2=-10 cm/s,v2′=0
据m1v1+m2v2=m1v1′+m2v2′有10×30+50×(-10)=10v1′
解得v1′=-20 cm/s
负号表示碰撞后,m1的方向与v1的方向相反,即向左.
【例4】 如图16-4-1所示,在水平地面上放置一质量为M的木块,一质量为m的子弹以水平速度v射入木块(未穿出),若木块与地面间的动摩擦因数为μ,求:
图16-4-1
(1)子弹射入后,木块在地面上前进的距离;
(2)射入的过程中,系统的机械能损失.
思路解析:(1)设子弹射入木块时,二者的共同速度为v′,取子弹的初速度方向为正方向,则有:mv=(M+m)v′①
二者一起沿平面滑动,前进的距离为s,由动能定理:
μ(M+m)gs=(M+m)v′2②
由①②两式解得:.
(2)射入过程中的机械能损失
ΔE=mv2-(M+m)v′2 ③
将①代入③式解得:.
答案:(1) (2)
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