利用信息技术研究碰撞问题

孟庆春 周松亮

(北京市顺义区第一中学 北京 101300) (北京市顺义区仁和中学 北京 101300)

碰撞问题是高中物理教学中的重点、难点, 它涉及到运动和力、动量、能量等力学重点知识，我们通常关注的是碰撞前后系统的运动状态变化情况, 很少涉及碰撞过程中物体的相互作用力的情况，学生对碰撞过程中机械能守恒或不守恒缺乏深层次的理解.

下面结合自己的教学案例来说明如何利用信息技术来研究碰撞问题．

1 用力传感器研究碰撞过程中的相互作用力

图1是在气垫导轨上用质量为241.5 g的滑块去撞击固定的力传感器，在滑块上安装了弹簧圈,安装弹簧圈的好处是弹簧圈受力后形变较明显, 能延长碰撞相互作用的时间, 充分反映作用力的变化情况[1]．

图1 在气垫导轨上用滑块撞击力传感器

实验后在HPCI-4物理实验数据系统可得到图2所示F-t图像，通过图像我们可以形象地看出碰撞过程中相互作用力的变化情况, 点击数据分析图标后, 利用十字游标可以测出碰撞作用的时间约为68 ms，测出相互作用力的最大值约为11.9 N.

图2 F-t图像

当把相碰滑块看成一个系统时, 碰撞力成为内力，除碰撞力以外其他力在这一过程中是很小的，其他力主要是滑块受到的总粘滞阻力fμ.

当滑块运动速度不大时，总粘滞阻力fμ和滑块速度v成正比，方向相反，

即

fμ=-bv

(1)

当导轨水平时，由式(1)可知

(2)

对式(2)作适当变形

得到

(3)

对式(3)两边同时积分

整理得

其中b称为粘滞阻力系数，它是作为反映导轨与滑块综合性能的一个综合性指标，其测定值可以用来作为导轨质量优劣的判据之一．

实验测得b的数据如下表1.

其中光电门A位置:40 cm,光电门B位置：80 cm，滑块质量m=241.5 g.

表1 实验数据

2 用HPCI-4物理实验数据系统定量研究碰撞遵从的规律

从最简单的碰撞开始定量研究.如图3所示，在气垫导轨上用一个质量大的滑块(m1=241.5 g)去撞另一个静止的质量较小的滑块(m2=184.3 g)．

图3 在气垫导轨上研究两滑块的碰撞

打开力学实验列表选择“接触类碰撞动量守恒”，在实验主界面碰撞方式中选择[静碰](大碰小)，分别在滑块上安装弹簧圈，如图4和图5所示.

图4 弹性碰撞

图5 非弹性碰撞(滑块间包上软泡沫)

在实验主界面碰撞方式中选择完全非弹性碰撞[静碰] ，碰撞材料选择双面胶(把隔离纸撕掉)，如图6所示.

图6 完全非弹性碰撞(滑块间贴上软面胶)

实验数据采集完毕后，在实验界面上方会出现一组碰前和碰后滑块1和滑块2运动的动量数据，从窗口菜单中选择不同的表格可以看到动能数据以及它们的误差分析．由于得到结果迅速, 学生有足够的时间分析误差存在的原因,并能把注意力放在了对实验过程的理解和对物理规律的探索上.

具体实验数据见以下各表.

实验1:弹簧圈

表2 动量实验数据

实验表明,系统的末动量与初动量两个值非常接近．考虑到两个数值的差距可能是由阻力和测量误差造成的, 于是可以做出推理: 在一维空间中, 几个物体相互作用的过程中, 如果由它们组成的系统不受外力或者所受外力之合为零, 系统的动量守恒．

表3 能量实验数据

实验分析：弹簧圈先被压缩, 将滑块的动能转化为弹簧圈的弹性势能, 复原时又将弹性势能转化为滑块的动能．由实验数据可以看出,在上述过程中动能的损失很小, 可以认为系统的动能保持不变．

实验2:软泡沫

表4 动量实验数据

表5 能量实验数据

实验3:双面胶

表6 动量实验数据

表7 能量实验数据

实验分析：在完全非弹性碰撞过程中, 双面胶发生塑性形变, 将一部分动能转化为内能．由实验数据可以看出,系统的动能损失接近50%了．非弹性碰撞动能损失要比完全非弹性碰撞动能损失要小．

3 结论

归纳上面各种情况下的相互作用, 可以得到以下结论.

当把相碰物看成一个系统时, 撞击力成为内力, 不会改变系统的总动量,所以系统的总动量守恒,碰撞中的机械能是否守恒，因接触面的材质而异．如果产生的撞击力是非保守力, 机械能就不会守恒[2]．

这次实践让笔者充分体会了信息技术与物理教学有机整合有利于突破教学重点和难点，有利于优化物理教学过程,从而提高物理课堂教学的实效性．

参考文献

1 刘克,卢慕稚,李正福．用力传感器研究碰撞过程中的相互作用力．物理通报，2007(11):59

2 石志芬,郝文玲．利用传感器研究碰撞问题．物理教师，2004，25(11)：40