利用信息技術(shù)研究碰撞問題

孟慶春 周松亮

(北京市順義區(qū)第一中學(xué) 北京 101300) (北京市順義區(qū)仁和中學(xué) 北京 101300)

碰撞問題是高中物理教學(xué)中的重點、難點, 它涉及到運動和力、動量、能量等力學(xué)重點知識，我們通常關(guān)注的是碰撞前后系統(tǒng)的運動狀態(tài)變化情況, 很少涉及碰撞過程中物體的相互作用力的情況，學(xué)生對碰撞過程中機械能守恒或不守恒缺乏深層次的理解.

下面結(jié)合自己的教學(xué)案例來說明如何利用信息技術(shù)來研究碰撞問題．

1 用力傳感器研究碰撞過程中的相互作用力

圖1是在氣墊導(dǎo)軌上用質(zhì)量為241.5 g的滑塊去撞擊固定的力傳感器，在滑塊上安裝了彈簧圈,安裝彈簧圈的好處是彈簧圈受力后形變較明顯, 能延長碰撞相互作用的時間, 充分反映作用力的變化情況[1]．

圖1 在氣墊導(dǎo)軌上用滑塊撞擊力傳感器

實驗后在HPCI-4物理實驗數(shù)據(jù)系統(tǒng)可得到圖2所示F-t圖像，通過圖像我們可以形象地看出碰撞過程中相互作用力的變化情況, 點擊數(shù)據(jù)分析圖標后, 利用十字游標可以測出碰撞作用的時間約為68 ms，測出相互作用力的最大值約為11.9 N.

圖2 F-t圖像

當把相碰滑塊看成一個系統(tǒng)時, 碰撞力成為內(nèi)力，除碰撞力以外其他力在這一過程中是很小的，其他力主要是滑塊受到的總粘滯阻力fμ.

當滑塊運動速度不大時，總粘滯阻力fμ和滑塊速度v成正比，方向相反，

即

fμ=-bv

(1)

當導(dǎo)軌水平時，由式(1)可知

(2)

對式(2)作適當變形

得到

(3)

對式(3)兩邊同時積分

整理得

其中b稱為粘滯阻力系數(shù)，它是作為反映導(dǎo)軌與滑塊綜合性能的一個綜合性指標，其測定值可以用來作為導(dǎo)軌質(zhì)量優(yōu)劣的判據(jù)之一．

實驗測得b的數(shù)據(jù)如下表1.

其中光電門A位置:40 cm,光電門B位置：80 cm，滑塊質(zhì)量m=241.5 g.

表1 實驗數(shù)據(jù)

2 用HPCI-4物理實驗數(shù)據(jù)系統(tǒng)定量研究碰撞遵從的規(guī)律

從最簡單的碰撞開始定量研究.如圖3所示，在氣墊導(dǎo)軌上用一個質(zhì)量大的滑塊(m1=241.5 g)去撞另一個靜止的質(zhì)量較小的滑塊(m2=184.3 g)．

圖3 在氣墊導(dǎo)軌上研究兩滑塊的碰撞

打開力學(xué)實驗列表選擇“接觸類碰撞動量守恒”，在實驗主界面碰撞方式中選擇[靜碰](大碰小)，分別在滑塊上安裝彈簧圈，如圖4和圖5所示.

圖4 彈性碰撞

圖5 非彈性碰撞(滑塊間包上軟泡沫)

在實驗主界面碰撞方式中選擇完全非彈性碰撞[靜碰] ，碰撞材料選擇雙面膠(把隔離紙撕掉)，如圖6所示.

圖6 完全非彈性碰撞(滑塊間貼上軟面膠)

實驗數(shù)據(jù)采集完畢后，在實驗界面上方會出現(xiàn)一組碰前和碰后滑塊1和滑塊2運動的動量數(shù)據(jù)，從窗口菜單中選擇不同的表格可以看到動能數(shù)據(jù)以及它們的誤差分析．由于得到結(jié)果迅速, 學(xué)生有足夠的時間分析誤差存在的原因,并能把注意力放在了對實驗過程的理解和對物理規(guī)律的探索上.

具體實驗數(shù)據(jù)見以下各表.

實驗1:彈簧圈

表2 動量實驗數(shù)據(jù)

實驗表明,系統(tǒng)的末動量與初動量兩個值非常接近．考慮到兩個數(shù)值的差距可能是由阻力和測量誤差造成的, 于是可以做出推理: 在一維空間中, 幾個物體相互作用的過程中, 如果由它們組成的系統(tǒng)不受外力或者所受外力之合為零, 系統(tǒng)的動量守恒．

表3 能量實驗數(shù)據(jù)

實驗分析：彈簧圈先被壓縮, 將滑塊的動能轉(zhuǎn)化為彈簧圈的彈性勢能, 復(fù)原時又將彈性勢能轉(zhuǎn)化為滑塊的動能．由實驗數(shù)據(jù)可以看出,在上述過程中動能的損失很小, 可以認為系統(tǒng)的動能保持不變．

實驗2:軟泡沫

表4 動量實驗數(shù)據(jù)

表5 能量實驗數(shù)據(jù)

實驗3:雙面膠

表6 動量實驗數(shù)據(jù)

表7 能量實驗數(shù)據(jù)

實驗分析：在完全非彈性碰撞過程中, 雙面膠發(fā)生塑性形變, 將一部分動能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能．由實驗數(shù)據(jù)可以看出,系統(tǒng)的動能損失接近50%了．非彈性碰撞動能損失要比完全非彈性碰撞動能損失要小．

3 結(jié)論

歸納上面各種情況下的相互作用, 可以得到以下結(jié)論.

當把相碰物看成一個系統(tǒng)時, 撞擊力成為內(nèi)力, 不會改變系統(tǒng)的總動量,所以系統(tǒng)的總動量守恒,碰撞中的機械能是否守恒，因接觸面的材質(zhì)而異．如果產(chǎn)生的撞擊力是非保守力, 機械能就不會守恒[2]．

這次實踐讓筆者充分體會了信息技術(shù)與物理教學(xué)有機整合有利于突破教學(xué)重點和難點，有利于優(yōu)化物理教學(xué)過程,從而提高物理課堂教學(xué)的實效性．

參考文獻

1 劉克,盧慕稚,李正福．用力傳感器研究碰撞過程中的相互作用力．物理通報，2007(11):59

2 石志芬,郝文玲．利用傳感器研究碰撞問題．物理教師，2004，25(11)：40