1.碰撞

两个物体在极短时间内发生相互作用,这种情况称为碰撞。由于作用时间极短,一般都满足内力远大于外力,所以可以认为系统的动量守恒。碰撞又分弹性碰撞、非弹性碰撞、完全非弹性碰撞三种。

仔细分析一下碰撞的全过程:设光滑水平面上,质量为m1的物体A以速度v1向质量为m­2的静止物体B运动,B的左端连有轻弹簧。在Ⅰ位置AB刚好接触,弹簧开始被压缩,A开始减速,B开始加速;到Ⅱ位置AB速度刚好相等(设为v),弹簧被压缩到最短;再往后AB开始远离,弹簧开始恢复原长,到Ⅲ位置弹簧刚好为原长,AB分开,这时AB的速度分别为。全过程系统动量一定是守恒的;而机械能是否守恒就要看弹簧的弹性如何了。

(1)弹簧是完全弹性的。Ⅰ→Ⅱ系统动能减少全部转化为弹性势能,Ⅱ状态系统动能最小而弹性势能最大;Ⅱ→Ⅲ弹性势能减少全部转化为动能;因此Ⅰ、Ⅲ状态系统动能相等。这种碰撞叫做弹性碰撞。由动量守恒和能量守恒可以证明AB的最终速度分别为:。(这个结论最好背下来,以后经常要用到。)

(2)弹簧不是完全弹性的。Ⅰ→Ⅱ系统动能减少,一部分转化为弹性势能,一部分转化为内能,Ⅱ状态系统动能仍和⑴相同,弹性势能仍最大,但比⑴小;Ⅱ→Ⅲ弹性势能减少,部分转化为动能,部分转化为内能;因为全过程系统动能有损失(一部分动能转化为内能)。这种碰撞叫非弹性碰撞。

(3)弹簧完全没有弹性。Ⅰ→Ⅱ系统动能减少全部转化为内能,Ⅱ状态系统动能仍和⑴相同,但没有弹性势能;由于没有弹性,AB不再分开,而是共同运动,不再有Ⅱ→Ⅲ过程。这种碰撞叫完全非弹性碰撞。可以证明,AB最终的共同速度为。在完全非弹性碰撞过程中,系统的动能损失最大,为:

[例1] 质量为M的楔形物块上有圆弧轨道,静止在水平面上。质量为m的小球以速度v1向物块运动。不计一切摩擦,圆弧小于90°且足够长。求小球能上升到的最大高度H 和物块的最终速度v

解析:系统水平方向动量守恒,全过程机械能也守恒。

小球上升过程中,由水平系统动量守恒得:

由系统机械能守恒得: 解得

全过程系统水平动量守恒,机械能守恒,得

[例2] 动量分别为5kgžm/s和6kgžm/s的小球AB沿光滑平面上的同一条直线同向运动,A追上B并发生碰撞后。若已知碰撞后A的动量减小了2kgžm/s,而方向不变,那么AB质量之比的可能范围是什么?

解析:A能追上B,说明碰前vA>vB,∴;碰后A的速度不大于B的速度, ;又因为碰撞过程系统动能不会增加, ,由以上不等式组解得:[来源:ZXXK]

点评:此类碰撞问题要考虑三个因素:①碰撞中系统动量守恒;②碰撞过程中系统动能不增加;③碰前碰后两个物体位置关系(不穿越)和速度大小应保证其顺序合理。

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