高中物理《选修3-5 后两个物体粘在一起,成为一个质量为2m的物体,以速度继续前进。 这个碰撞过程中能量(总动能)守恒吗? 可以先根据动量守恒定律求出碰撞后的共同速度υ',也就是用υ表示υ,然后 分别计算碰撞前后的总动能 如果碰撞过程中机械能守恒.这样的磑撞叫做弹性 球、玻球碰撞时的形受能够 磑撞( elastic collision);如果碰撞过程中机械能不守 完全恢复,能量损失很小,它们的碰 恒,这样的碰撞叫做非弹性磑撞( inelastic collision)。 撞可以收弹性碰撞,木制品碰撞时 近代物理学中,经常遇到的是微观粒子间的碰撞。 的形变不能完全恢复,一般情况下不 微观粒子碰撞时没有能量损失,所以我们重点研究弹性 能作为弹性碰撞处理,橡皮尼球之间 的碰撞足典型的非弹性碰撞。 碰撞 思考与讨论 我们考虑一维弹性碰撞。在本章第1节开始时的演示中,我们已经观察了两个 质量初等物体的碰控、两个质量相差悬殊的物体的碰控,了解了它们碰挫前后速度 变化的特点。现在把它们的碰撞看做弹性碰撞,从理论上分析不同情况下碰撞前后 速度的变化情况。 假设物体m以速度υ与原耒静止的物体m碰撞,碰撞后它们的速度分别为v 和02。我们的任务是得出用m、、表达'和'的公式 碰撞过程遵从动量守恒定律,据此可以列出包含上述各已知量和未知量的方程 弹性碰中没有机械能损失,于是可以列出另一个方翟。两个方程联立,把'和 v2作为未知量解出来就可以了。 图1642所示的碰撞发生后,两个物体的速度分别为 m1二m m1+m2 (1) 图16.4-2一个物体以速度 2m-p (2) 与另一个静止物体磁擅 我们对几种情况下这两个式子的结果做些分析。 m1=m2,即两个物体的质量相等 这时m1-m2=0,m1+m2=2m1。根据(1)、(2)两式,有 =0 14
这表示第一个物体的速度由1变为零,而第二个物体由静止开始运动,运动的速度等 于第一个物体原来的速度。 若m>>m2,即第一个物体的质量比第二个物体大得多 这时m1-m2m1,m1+m2m。根据(1)、(2)两式,有 t1= a 20 这表示碰撞后第一个物体的速度没有改变,而第二个物 对一个问进行理论分 体以2的速度被撞出去。 第十六章动量守恒定律 析之后,我们会关心分桥的 ·若m1<m,即第一个物体的质量比第二个物体小得 过程是否正确、分析的根据 是否可,可以有多种方法 进行评估,方法之一是,把 这时m一m“一m,m+m=0根据(1)、(2)两式,有 分析的结果应用于几个比较 简单的特例,如果所得的结 论与常识或已有的知识 0 这表示碰撞以后第一个物体被撞了回去,以原来的速率 致,那么理论分析可能是正 确的,西则一定出了问题 向反方向运动,而第二个物体仍然静止。 这里从理论上讨论了本章第1节开始时的实验。如果在 这些讨论之后再做那个实验,你是不是对科学理论与实验的关系有些新的体验? 对心磑撞和非对心碰撞如图1643甲,一个运动的球与一个静止的球碰撞,碰撞之前 球的运动速度与两球心的连线在同一条直线上,碰撞之后两球的速度仍会沿着这条直线。这 种碰撞称为正礎( direct impact),也叫对心碰撞。 磁撞前 磁撞后 碰撞前 磁撞后 甲对心磁撞 乙非对心磁撞 图16.4-3两种碰 一个运动的球与一个静止的球碰撞,如果碰撞之前球的 对于非对心碰撞,应该 运动速度与两球心的连线不在同一条直线上,碰撞之后两球的在相互直的两个方向上分 速度都会偏离原来两球心的连线。这种碰撞称为非对心碰撞 别用动量守怕定律 发生对心碰撞的两个物体,碰撞前后的速度都沿同一条 直线,它们的动量也都沿这条直线,可以在这个方向上应用动量守恒定律。前面我们已经多 次遇到这种情形。 发生非对心碰撞的两个物体,碰撞后的速度都不与原来的速度在同一条直线上,所以非 对心碰撞比较复杂,是平面内的二维问题。 15
高中物理《选修3-5 考与讨论 如图1644,A球以速度与同样质量且处亍靜止的B球碰撞。已知碰樘后B 球的速度如图所示,请你大致画出碰樘后A球的速度。 碰撞前 碰撞后 图1644画出碰撞后A球的速度 散射在粒子物理和核物理中,常常使一束粒子射入物 a粒子 体,粒子与物体中的微粒碰撞。研究碰撞后粒子的运动方 金原子核 向,可以得到与物质微观结构有关的很多信息。与宏观物体 碰撞不同的是,微观粒子相互接近时并不发生直接接触,因 此微观粒子的碰撞又叫做散射( scattering)。由于粒子与物 质微粒发生对心碰撞的概率很小,所以多数粒子在碰撞后飞图16.45金箔原子对a粒子的散 向四面八方。 射。由于原子之间强大的相互作 用,磁撞时原子相当于质量极大的 物体,不会移动。 料学足迹 中子的发现 1932年,物理学历史上发生了一个重要的事件一发现了中子。 早在1920年,在发现电子和质子之后不久,卢闋福就猜测,原子中可能还有一种电中性的粒 子,英国物理学家查德威克( J. Chadwick,1891-1974)在卡文速许实验室里寻找这种电中性粒 子。他一直在设法加速质子,用它撞击原子核.以发现有关中性粒子的证据。1929年,他用高速 质子焘击了锁原子核 实际上,德国物理学家博特及其合作者贝克尔已经先行一步。他们用a粒子轰击一系列元素 在轰击铍原子核时,产生了一种未知射线。为了确定这种射线的性质,他们试着把各种物体放在射 线经过的路径上,结果发现这种射线的穿透能力极强,在穿透2cm厚的铅板后强度只减弱30%。当 时知道,能有这样强的穿透能力的只有Y射线。因此,他们认为这种射线是一种y射线。 法国物理学家约里奥一居里夫妇重复了博特和贝克尔的实验。他们在依板与测量仪器之间插入 了石蜡.结果石蜡在这种“铍射线”的照射下会发出质子,而没有石蜡时射线是不带电的。但是 约里奥一居里夫妇认为石蜡被烈射时产生质子是一种康普顿效应①,他们仍然认为中性的“射线 ①本书下章将介绍康普顿效应 16
是一种γ射线。 查德威克认为新射线不可能是Y射线,因为一般情况下Y射线容易被密度大的物质吸收,但这 种射线却不是这样。他还观察到一个新的现象:在用这种射线轰击氢核时,它能被反弹回来。通过 对反冲核的动量的测定,再应用动量守恒定律进行估算,得知这种射线是由质曼与质子大致相等的 中性粒子组成。随后他于1932年在《自然》杂志上发表了《中子可能存在》的论文 查德威克发现了12年前他的老师卢瑟福所预言的粒子一中子,为此,他获得了1935年的诺 贝尔物理学奖。 第十六章动量守恒定 博特发现了“铍辐射”却没有认识到它就是中子,多年以后他还深感遗憾。如果他们去听了卢 瑟福的演讲,也许就不会失去这次重大发现.因为卢瑟福就是在那场演讲中谈到了自己对中子的猜 想 这是科学史上一个“真理碰到了鼻子还没有发现”的著名例子,它说明科学信息的交流与科学 思想的碰撞是多么重要。 问题与练习 1.在气垫导轨上,一个质量为600g的滑块以15cms的速度与另一个盾量为400g、速 度为10cms方向相反的滑块迎西相撞,碰撞后两个滑块并在一起,求碰撞后滑块逵 度的大小和方向。 2.质量为m速度为υ的A球眼贗量为3m的静止B球发生正碰。碰撞可能是弹性的,也 可能是非弹性的、因此、碰撞后B球的度可能有不冏的值。请你论证:碰撞后B球 的速度可能是以下值吗? (1)0.60;(2)04;(3)0.2 3.速度为10ms的核与静止的质子发生正碰,巍核的质量是盾子的4、磁撞是弹 性的,求碰撞后两个粒子的速度。 4有些核反应堆里要让中子与原子核碰撞,以便把中子的建率降下来,为此,应该选用 质量较大的还是质量较小的原子核?为什么? 5一种知子眼静止的原于孩正碰,测出磁撞后豆原子被的速度是33×10m,该 术知粒子眼靜止的熏原子核正碰时,测出碰撞后原子核的速度是4.7×10°m/s 已知原亍核的贗量是m、殷原子核的隋量是14m、上述碰撞都是弹性碰撞, 求术知粒子的盾量。这实际是历史上查德威克测量中子质量从而发現中子的实 验,请你根据以上查德威克的实验数据计算:中子的质量与氮核的质量m有什么 关系?
高中物理《选修3 反冲运动火箭 思考与讨论 你知道章鱼、乌贼怎样游泳吗?它们先把水吸 入体腔,然后用力压水,通过身体前函的孔将水喷 出,使身体很快地运动。 幸鱼能够调整自己的喷水口的方向,这样可以 使得身体向任意方向前进。 你认为幸鱼游泳时应用了什么物理原理? 图1651章鱼 反冲根据动量守恒定律,如果一个静止的物体在内力的作用下分裂为两个部分,一部 分向某个方向运动,另一部分必然向相反的方向运动。这个现象叫做反冲( recoil)。章鱼 的运动利用了反冲的原理。 在实际中常常需要考虑反冲现象。用枪射击时,子弹向 前飞去,枪身发生反冲向后运动。枪身的反冲会影响射击的 准确性,所以用步枪射击时要把枪身抵在肩部,以减少反冲 的影响 农田、园林的喷灌装置能够一边喷水一边旋转,这是因 为喷口的朝向稍有偏斜,水从喷口喷出时,喷管因反冲而旋 图1652喷泡装置 转。这样可以自动改变喷水的方向。 一敞 把一个气球吹起来,用手捏住气球的通气口(图16.53).然 后突然放开,让气体喷出,观察气球的运动。 图1653放手后观察气球的运动 18