高中物理模型:追碰模型

追碰是物理上一个重要模型,它涉及到动量定理、动量守恒定律、能量守恒等诸多知识点。从物理方法的角度看。处理碰撞问题,通常使用整体法(系统)、能量方法,守恒方法及矢量运算。该部分内容是自然界最普遍的两个规律的联手演绎,是中学阶段最重要的主干知识之一。
[模型讲解]
一、理解动量守恒定律的矢量性
例1. 如图1所示,光滑水平面上有大小相同的A、B两球在同一直线上运动,两球质量关系为

,规定向右为正方向,A、B两球的动量均为6kg·m/s,运动中两球发生碰撞,碰撞后A球的动量增量为

,则:( )

图1
A. 左方是A球,碰撞后A、B两球速度大小之比为2:5
B. 左方是A球,碰撞后A、B两球速度大小之比为1:10
C. 右方是A球,碰撞后A、B两球速度大小之比为2:5
D. 右方是A球,碰撞后A、B两球速度大小之比为1:10
解析:题中规定向右为正方向,而AB球的动量均为正,所以AB都向右运动,又

,所以

,可以判断A球在左方,CD错;碰撞后A的动量变化

,根据动量守恒可知,B球的动量变化

,所以碰后AB球的动量分别为

解得

,所以A正确。

评点:动量守恒定律的矢量性即是重点又是难点,解题时要遵循以下原则:先确定正方向,与正方向相同的矢量取正号,与正方向相反的矢量取负号,未知矢量当作正号代入式中,求出的结果若大于零,则与正方向相同,若小于零则与正方向相反,同时也要善于利用动量与动能的关系,但要注意它们的区别。
二、利用动量守恒定律处理微观粒子的追碰
例2. 在核反应堆里,用石墨作减速剂,使铀核裂变所产生的快中子通过与碳核不断的碰撞而被减速。假设中子与碳核发生的是弹性正碰,且碰撞前碳核是静止的。已知碳核的质量近似为中子质量的12倍,中子原来的动能为E0,试求:
(1)经过一次碰撞后中子的能量变为多少?
(2)若E0=1.76MeV,则经过多少次碰撞后,中子的能量才可减少到0.025eV。
解析:按弹性正碰的规律可求出每次碰撞后中子的速度变为多少,对应的动能也就可以求解;在根据每次碰撞前后的动能之比与需要减少到0.025eV与原动能E0的比值关系,取对数求出碰撞次数(必须进位取整)。
(1)弹性正碰遵循动量守恒和能量守恒两个规律。设中子的质量为m,碳核的质量为M,有:
由上述两式整理得:
则经过一次碰撞后中子的动能:
(2)同理可得

……
设经过n次碰撞,中子的动能才会减少至0.025eV,即

,解上式得

评点:广义上的碰撞,相互作用力可以是弹力、分子力、电磁力、核力等,因此,碰撞可以是宏观物体间的碰撞,也可以是微观粒子间的碰撞。
说明:《考试大纲》强调“应用数学处理物理问题的能力”,我们在计算中常遇到的是以下一些数学问题:
①等差数列、等比数列,这两类问题的处理方法是先用数学归纳法找出规律,再求解;
②对

,当

③对

的形式(即

),则在

时,y有极值

④对

的形式,其中均为a、b变量,但

恒量(

),则可根据不等式性质

求极值等。

[模型要点]
在近年高考中,考查的碰撞皆为正碰问题。碰撞是中学物理教学的重点、是历年高考命题的热点,同时它一直是学生学习和高考的难点。碰撞在《考试说明》中作II级要求掌握。
1. 碰撞的特点:(1)作用时间极短,内力远大于外力,总动量总是守恒的;(2)碰撞过程中,总动能不增。因为没有其他形式的能量转化为动能;(3)碰撞过程中,当两物体碰后速度相等时,即发生完全非弹性碰撞时,系统动能损失最大;(4)碰撞过程中,两物体产生的位移可忽略。
2. 碰撞的分类:按能量变化情况可分为弹性碰撞和非弹性碰撞(包括完全非弹性碰撞)。
3. 能量方面:弹性碰撞动能守恒;非弹性碰撞动能不守恒;完全非弹性碰撞能量损失(不能完全恢复原形)最大。
注意:动量守恒定律的验证、分析推理、应用等实验中,不论在平面还是斜面或用其他方式进行,我们都要注意守恒的条件性。
解题原则:(1)碰撞过程中动量守恒原则;(2)碰撞后系统动能不增原则;(3)碰撞后运动状态的合理性原则。
碰撞过程的发生应遵循客观实际。如甲物追乙物并发生碰撞,碰前甲的速度必须大于乙的速度,碰后甲的速度必须小于、等于乙的速度或甲反向运动。
解决“追碰”问题大致分两类运动,即数学法(如函数极值法、图象法)和物理方法(参照物变换法、守恒法等)。
[模型演练]
如图2所示,一水平放置的圆环形刚性槽固定在桌面上,槽内嵌放着三个大小相同的刚性小球,它们的质量分别为m1、m2、m3、m2=m3=2m1,小球与槽的两壁刚好接触,而且它们之间的摩擦可以忽略不计。开始时,三球处于槽中I、II、III的位置,彼此间距离相等,m2和m3静止,m1以速度

沿槽运动,R为圆环的内半径和小球半径之和,各球之间的碰撞皆为弹性碰撞,求此系统的运动周期T。

图2
答案:先考虑m1与m2的碰撞,令v1、v2分别为它们的碰后速度,由弹性正碰可得:
当m2与m3相碰后,交换速度,m2停在III处,m3

的速率运动。因为三段圆弧相等,当m3运动到位置I时,m1恰好返回。它们在I处的碰撞,m3停在I处,m1又以v0的速度顺时针运动。当m1再运动到II时,共经历了一个周期的

,则:m1两次由位置I运动到II处的时间为:

由位置II运动到III处的时间为:

由位置III运动到I的时间为:

所以系统的周期为:

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