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2.3 非弹性碰撞

动量守恒定律及其在碰撞与反冲中的应用 · 高二
先确认一下:这一关能不能学
上面这几节是它的地基 —— 没通的话,补完再回来,比硬啃快得多。
讲清楚它是什么

定义 碰撞后系统总动能减少,且碰后两物体速度相同(完全非弹性)或动能损失介于0与最大之间。

从哪来 基于7.2 系统动量守恒和5.1 动量与动能公式,结合3.4 动量守恒的判断中关于内力远大于外力的条件,以及5.3 碰后速度关系中关于能量转化的逻辑推导。

为什么 在碰撞瞬间,内力(如弹力、摩擦力)极大且作用时间极短,外力冲量可忽略,故7.2 系统动量守恒成立。但非弹性碰撞中,物体发生形变或相对滑动,部分机械能通过做功转化为内能(热能、声能等)。根据5.1 动量与动能公式,动量守恒只约束速度矢量和,不约束动能;动能减少量等于系统内能的增加量。若形变不可恢复或相对运动停止,则达到动能损失最大状态,即完全非弹性碰撞,此时两物体共速。

适合形象思维强、喜欢直观演示的学生** **“泥巴球实验”类比
想象两个粘在一起的泥巴球撞在一起。 1. 动量视角:撞之前,一个跑得快,一个跑得慢(或静止)。撞之后,它们粘成一团一起走。因为没人推它们(外力忽略),所以“总的冲劲”(动量)没变。 2. 能量视角:撞之前,它们各自有动能。撞之后,它们粘在一起,速度变慢了(通常比快的慢,比快的快)。 3. 关键点:为什么动能少了?因为泥巴变形了,你用手摸会感觉发热。这部分“消失”的动能变成了内能。 4. 结论:非弹性碰撞 = 动量守恒 + 动能不守恒(减少)。完全非弹性 = 粘在一起(共速)+ 动能损失最大。
适合逻辑严密、擅长数学推导的学生** **代数推导法
设两物体质量 $m_1, m_2$,初速度 $v_1, v_2$,末速度 $v_1', v_2'$。 1. 动量守恒:$m_1 v_1 + m_2 v_2 = m_1 v_1' + m_2 v_2'$ 2. 动能变化:$\Delta E_k = \frac{1}{2}m_1 v_1'^2 + \frac{1}{2}m_2 v_2'^2 - (\frac{1}{2}m_1 v_1^2 + \frac{1}{2}m_2 v_2^2)$ 3. 完全非弹性特例:若 $v_1' = v_2' = v_{共}$,代入动量守恒得 $v_{共} = \frac{m_1 v_1 + m_2 v_2}{m_1 + m_2}$。 4. 能量损失公式推导: $\Delta E_k = \frac{1}{2}(m_1+m_2)v_{共}^2 - (\frac{1}{2}m_1 v_1^2 + \frac{1}{2}m_2 v_2^2)$ 化简后可得:$\Delta E_k = \frac{1}{2} \mu (v_1 - v_2)^2$,其中 $\mu = \frac{m_1 m_2}{m_1 + m_2}$ 为约化质量。 5. 结论:只要 $v_1 \neq v_2$,$\Delta E_k$ 必为负值(动能减少)。当 $v_1' = v_2'$ 时,动能损失达到最大值,这就是完全非弹性碰撞的本质特征。
适合对物理模型构建感兴趣、喜欢“极端情况”分析的学生** **“极端对比法”
1. 极端1:完全弹性碰撞(如理想气体分子)。碰后分开,动能无损失。这是“最理想”的情况。 2. 极端2:完全非弹性碰撞(如子弹打入木块)。碰后粘在一起,动能损失最大。这是“最糟糕”的能量转化情况。 3. 中间态:一般非弹性碰撞(如台球)。碰后分开,但动能有少量损失(声音、形变)。 4. 核心逻辑: - 所有碰撞都满足7.2 系统动量守恒。 - 区别在于5.1 动量与动能公式中动能的变化率。 - 完全非弹性碰撞是动能损失的“上限”。任何实际碰撞的动能损失都小于或等于这个上限。 - 判断技巧:题目中出现“粘在一起”、“嵌在”、“共速”等词,直接判定为完全非弹性碰撞,直接用共速公式求解。
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练一道
基础题
质量 $m_1 = 2\text{kg}$ 的物体以 $v_1 = 4\text{m/s}$ 的速度,与静止的质量 $m_2 = 6\text{kg}$ 的物体发生完全非弹性碰撞。求碰后共同速度及系统动能损失。
变式
质量 $m_1 = 1\text{kg}$ 的子弹以 $v_0 = 200\text{m/s}$ 水平射入静止在光滑水平面上的质量 $m_2 = 9\text{kg}$ 的木块中,并留在其中。求:(1) 子弹和木块的共同速度;(2) 此过程中系统损失的机械能;(3) 若木块与地面动摩擦因数 $\mu = 0.2$,求木块在地面上滑行的距离。(取 $g=10\text{m/s}^2$)
试试手自己判
检测题
质量 $m_1 = 3\text{kg}$ 的物体A以 $v_1 = 5\text{m/s}$ 的速度,与质量 $m_2 = 1\text{kg}$ 的静止物体B发生完全非弹性碰撞。求: (1) 碰后共同速度; (2) 系统动能损失占总初动能的百分比。
看答案和判分标准
答案:(1) $v_{共} = \frac{m_1 v_1}{m_1 + m_2} = \frac{3 \times 5}{3 + 1} = 3.75\text{m/s}$ (2) 初动能 $E_{k1} = \frac{1}{2} \times 3 \times 5^2 = 37.5\text{J}$ 末动能 $E_{k2} = \frac{1}{2} \times 4 \times 3.75^2 = 2 \times 14.0625 = 28.125\text{J}$ 损失 $\Delta E = 37.5 - 28.125 = 9.375\text{J}$ 百分比 $= \frac{9.375}{37.5} \times 100\% = 25\%$
判对标准:
- 正确列出动量守恒方程并求出 $v_{共} = 3.75\text{m/s}$(得1分)。
- 正确计算初、末动能(得1分)。
- 正确计算损失百分比为 $25\%$(得1分)。
- 若只算出速度未算百分比,得2分;若速度错误,得0分。
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