高中物理第一章碰撞与动量守恒第一节物体的碰撞教学案粤教版选修9

学 习 资 料 专 题

第一节 物体的碰撞

对应学生用书页码

1．碰撞是力学的基本问题之一，著名的科学家伽利略、牛顿等都先后进行了一系列的实验，从最初对一些现象尚无法作出解释，到逐渐归纳成系统的理论，总结出碰撞的规律，直至明确提出运动量守恒的基本思想，都为后来的动量守恒定律奠定了基础。

2．20世纪30年代以后，由于加速器技术和探测技术的发展，通过高能粒子的碰撞，实验物理学家相继发现了许多新粒子。

3．物体间碰撞的形式多种多样。如图1－1－1甲所示，两小球碰撞时的速度沿着连心线的方向，这种碰撞称为正碰，如图1－1－1乙所示，两球碰撞前的相对速度不在连心线上，这种碰撞称为斜碰。

碰撞是生活中常见的现象，两节火车车厢之间的挂钩靠碰撞连接，台球由于两球的碰撞而改变运动状态，微观粒子之间更是由于相互碰撞而改变能量，甚至使得一种粒子转化为另一种粒子，物体在碰撞中遵循什么物理规律呢？

本章我们将从历史上的碰撞实验出发，认识各种碰撞的形式，探究碰撞的规律—动量守恒定律，从守恒和对称的关系中感受物理学的和谐美。

图1－1－1

4．碰撞的最主要特点是：相互作用时间短，作用力变化快和作用力峰值大等，因而其他外力可以忽略不计。

5．如果碰撞过程中系统动能守恒，这样的碰撞叫做弹性碰撞。如果碰撞过程中系统动能不守恒，这样的碰撞叫做非弹性碰撞，如果两个物体碰撞后合为一体具有共同的速度，这样的碰撞叫做完全非弹性碰撞。

对应学生用书页码

1.碰撞现象

两个或两个以上有相对速度的物体相遇时，在很短的时间内它们的运动状态发生显著变化，物体间相互作用的过程叫碰撞。

2．碰撞的特点

(1)作用时间极短，相互作用力变化很快，平均作用力很大；相互作用力远大于其他外力，其他外力可以忽略不计。

(2)碰撞过程是在一瞬间发生的，作用时间极短，所以可以忽略物体的位移，可以认为物体在碰撞前后仍在同一位置。

3．碰撞的分类

按碰撞过程的能量损失情况可分为完全弹性碰撞、非弹性碰撞、完全非弹性碰撞。

(1)完全弹性碰撞：任何两个小球碰撞时都会发生形变，若两球碰撞后形变能完全恢复，并没有能量损失，碰撞前后两小球构成的系统的动能相等，我们称这种碰撞为完全弹性碰撞。

(2)非弹性碰撞：若两球碰撞后它们的形变不能完全恢复原状，这时将有一部分动能最终会转变为内能，碰撞前后系统的动能不再相等，我们称这种碰撞是非弹性碰撞。

(3)完全非弹性碰撞：如果碰撞后完全不反弹，两球成为一个整体，这种碰撞则是完全非弹性碰撞。

4．对弹性碰撞和非弹性碰撞的理解

弹性碰撞和非弹性碰撞可以从形变和动能两个角度进行理解。

(1)若两个物体发生碰撞时形变属于弹性的，碰后能够恢复，碰撞过程中只是发生了动能和弹性势能之间的相互转化，碰撞前后两小球构成的系统的动能不可能损失，则两物体间发生了完全弹性碰撞。

(2)若两个物体发生碰撞时形变属于非弹性的，碰后不能够恢复原状，碰撞过程中除发生动能和弹性势能之间的相互转化外，碰撞前后系统的动能不再相等，则两物体间的碰撞为非弹性碰撞；若两个物体碰撞后合为一体，形变完全不能恢复，此时损失的动能最大。

(1)物理学家所研究的碰撞，并不限于物体直接接触的情况。分子、原子、基本粒子等微观粒子不直接接触，但相互以力作用着，并影响彼此的运动，这种情况也叫做碰撞。

(2)小到微观粒子，大到生活中宏观物体，再到宇宙天体，碰撞是自然界中最常见的物体相互作用的表现形式之一，因此，对碰撞问题的研究，有助于我们认识和了解物体相互作用的具体规律和丰富的粒子世界。

1．根据碰撞过程中动能的损失情况，物体间的碰撞可分为________碰撞，____________碰撞和______________碰撞，其中________________碰撞的动能损失最大。

解析：在碰撞过程中，若物体的动能无损失，则称这种碰撞为弹性碰撞；若碰撞时物体的形变不能完全恢复，此时将有部分动能转化为热，这种碰撞称为非弹性碰撞，若碰撞时，物体的形变完全不能恢复，此时动能损失最多，这种碰撞称为完全非弹性碰撞。

答案：弹性非弹性完全非弹性完全非弹性

以两个质量相同的理想弹性小球相向运动的情况为例，讨论碰撞的具体过程，如图1－1－2所示。

图中小球内部的箭头表示运动的速度方向，箭头的长短表示速度的大小。

两个相向运动的弹性小球开始相碰时(如图Ⅰ)，由于它们具有相向运动的

速度，开始相互挤压，发生形变，从而产生弹性力。向右运动的第一个小球受

到第二个小球给它的向左的弹性力，开始做减速运动，从而向右运动的速度减

小；同时，向左运动的第二个小球受到第一个小球给它的向右的弹性力，开始

做减速运动，从而向左运动的速度减小(图Ⅱ)。这时，虽然相对运动的速度减

小了，仍继续相互挤压，继续发生形变，在更大的弹性力作用下，相对速度逐

渐减小到0(图Ⅲ)，此时形变最大，相互作用的弹性力也最大，完成了所谓的

碰撞过程的压缩阶段。

之后，弹性小球开始恢复形变。在相互作用的弹性力作用下，分别做加速运动，从而又获得速度(图Ⅳ)，最后达到图Ⅴ的状态，弹性碰撞结束。

以上对碰撞过程的分析，实际上是近似的，它的前提是：

(1)认为物体的形变是局部的形变，只发生在接触面处；

(2)认为物体之间的相互作用只是由形变产生的弹力；

(3)恢复阶段是在形变达到最大值后开始，到物体分离结束。实际的碰撞过程是相当复杂的，相撞物体开始接触后，相互作用力以应力波形式传布于整个物体，引起各部分形变。

图1－1－2

形变和恢复两个阶段，也是很难严格区分的。

2．(双选)在两个质量相同的物体相向运动发生弹性碰撞过程中，下列说法正确的是( )

A ．两物体相互压缩过程中，做匀减速运动，直到速度减为零

B ．两物体相互压缩过程中，速度减小，动能转化为弹性势能

C ．两物体恢复形变过程中，弹力逐渐变大，速度逐渐变大

D ．两物体恢复形变过程中，速度变大，弹性势能转化为动能

解析：两物体压缩过程中，弹力逐渐变大，加速度逐渐变大，物体做加速度变大的减速运动，物体的动能转化为弹性势能，故A 错B 对。恢复形变过程中，弹力逐渐减小，物体做加速度减小的加速运动，物体的弹性势能转化为动能，故C 错D 对。

答案：BD

对应学生用书页码

[例] 质量为B 球发生碰撞，碰后

A 球以1 m/s 的速度反向弹回，

B 球以2 m/s 的速度向前运动，试分析：

(1)碰撞过程中损失了多少动能。 (2)两球的碰撞属于何种类型的碰撞。 [解析] (1)碰撞前物体的动能

E k A ＝1

2m A v 2A ＝12

×5×32

J ＝22.5 J

碰撞后物体的动能

E ′k ＝E k A ′＋E ′k B ＝1

2m A v A ′2＋12

m B v 2B

＝12×5×12 J ＋12×10×22

J ＝22.5 J 故碰撞过程中无动能损失。

(2)由于碰撞过程中无动能损失，故两球的碰撞属于完全弹性碰撞。 [答案] (1)0 (2)完全弹性碰撞

(1)物体间发生完全弹性碰撞后形变能完全恢复，碰撞系统的动能守恒；物体间发生非弹性碰撞后形变不能完全恢复，碰撞系统的动能有损失；物体间发生完全非弹性碰撞后，形变完全不能恢复，碰撞系统的动能损失最大。