柳佳

【摘要】碰撞是高中物理教學(xué)中關(guān)于動(dòng)量守恒知識(shí)點(diǎn)的一個(gè)比較重要的應(yīng)用內(nèi)容.本文通過建模從碰撞過程中的相互作用力及形變?nèi)胧?，闡述彈性碰撞與非彈性碰撞中速度的變化、能量的變化，形成關(guān)于物理規(guī)律的結(jié)論，對(duì)彈性碰撞與非彈性碰撞進(jìn)行深入探究，拓展碰撞問題的分析思路，進(jìn)一步發(fā)展學(xué)生運(yùn)動(dòng)與相互作用的觀念和能量的觀念，使其了解物理規(guī)律內(nèi)在的一致性和適用范圍.生活中的很多現(xiàn)象都可以等效成類碰撞模型，從而拓展學(xué)生對(duì)物質(zhì)世界的本質(zhì)認(rèn)識(shí)與理解.

【關(guān)鍵詞】高中物理；碰撞；物理規(guī)律

碰撞在日常生活中司空見慣.例如桌球比賽中，球與球之間的碰撞；車禍發(fā)生時(shí)，車輛之間的碰撞；宇宙中，隕石的撞擊；實(shí)驗(yàn)室中，微觀粒子的各種散射等.

在高中人教版物理選擇性必修第一冊(cè)的新教材中介紹了“碰撞”.在《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》中，明確提出，學(xué)生要了解彈性碰撞和非彈性碰撞的特點(diǎn)，會(huì)定量分析一維碰撞問題并解釋生產(chǎn)生活中的碰撞現(xiàn)象，提高建模能力，領(lǐng)會(huì)守恒思想，體會(huì)自然界的和諧與統(tǒng)一.

1 從形變談碰撞

碰撞發(fā)生的時(shí)間極短，物體間產(chǎn)生很大的相互作用，系統(tǒng)內(nèi)力遠(yuǎn)大于外力，物體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)發(fā)生改變，即物體的速度發(fā)生變化.從能量角度碰撞分為彈性碰撞，即碰撞后物體的機(jī)械能不損失，以及非彈性碰撞，即碰撞后物體的機(jī)械能減少.其中完全非彈性碰撞，機(jī)械能損失最大.

不妨把碰撞的短暫瞬間分為兩個(gè)階段：第一階段為兩物體從接觸開始相互擠壓，接觸區(qū)域因擠壓而發(fā)生形變，當(dāng)兩物體共速時(shí)，形變達(dá)到最大.第二階段為形變恢復(fù)階段，具體可以分為三種情況：（1）形變后兩物體分開，形變完全恢復(fù)，機(jī)械能沒有發(fā)生損失，即發(fā)生了彈性碰撞；（2）碰撞后的物體雖然分離，但是物體的形變沒有完全恢復(fù)，機(jī)械能發(fā)生損失，即發(fā)生非彈性碰撞，損失的機(jī)械能與形變的恢復(fù)程度有關(guān).（3）碰撞的兩個(gè)物體接觸后形變完全沒有得到恢復(fù)，“粘”在一起運(yùn)動(dòng)，即共速，此時(shí)損失的機(jī)械能最大，為完全非彈性碰撞.

學(xué)生在認(rèn)知過程中，對(duì)于上述三種情況，很難建立起形象化的模型.在高中人教版物理選擇性必修第一冊(cè)的新教材中，通過實(shí)驗(yàn)探究，獲得各種情況下小車碰撞前后動(dòng)能的變化數(shù)據(jù)，在真實(shí)情境中建立起彈性碰撞和非彈性碰撞的相關(guān)概念.

也可以通過下述類碰撞模型，從牛頓運(yùn)動(dòng)定律的角度，結(jié)合形變，理論分析，引導(dǎo)學(xué)生利用已有知識(shí)體系建立彈性碰撞和非彈性碰撞的概念.

例如 如圖1，光滑水平面上一與輕質(zhì)彈簧相連的物體A，以初速度v0向右運(yùn)動(dòng)，與靜止的物體B相碰.彈簧與物體B接觸后，彈簧被壓縮，發(fā)生彈性形變，對(duì)物體B施加向右的彈力F，物體B開始加速.同時(shí)彈簧又對(duì)物體A施加向左的彈力F，物體A開始減速，如圖2.在物體B的速度增大到物體A的速度前，物體A、B之間的距離逐漸減小，彈簧持續(xù)被壓縮，形變量增大.當(dāng)兩個(gè)物體速度相等時(shí)，彈簧被壓縮到最短，形變量達(dá)到最大，即碰撞的第一階段.此時(shí)物體的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為彈簧的彈性勢能，且機(jī)械能損失最大，即上述問題中的完全非彈性碰撞模型.過后，由于彈簧彈力的作用，物體B繼續(xù)加速，物體A繼續(xù)減速，且vA

通過建模，我們把碰撞中微小的形變進(jìn)行了有效、直觀地放大，更便于學(xué)生對(duì)碰撞本質(zhì)的理解.

圖4，5中，在碰撞的第一階段和第二階段，時(shí)間上應(yīng)具有對(duì)稱性，t2=2t1.

（1）若mA≥mB，物體A，B在大小相同的彈力作用產(chǎn)生不同的加速度aA≤aB.如圖4，那么物體A，B共速后，由圖象的對(duì)稱性可知，物體A一直向右減速.

（2）若mAaB.如圖5，那么共速后，物體A在t1～t2時(shí)間段內(nèi)先向右減速至0，后向左反彈出去.對(duì)應(yīng)t1～t2時(shí)間內(nèi)物體A，B不同時(shí)刻的分離，即發(fā)生非彈性碰撞時(shí)，物體A碰后的速度范圍應(yīng)視情況而定.

通過建模，我們把碰撞中的速度變化問題進(jìn)行有效簡化，幫助學(xué)生深刻理解.

3 類碰撞模型的拓展

相互作用的物體，可以接觸，也可以不接觸；作用時(shí)間可以很長亦或是很短.在高中物理學(xué)習(xí)中可以將一些物體間相互作用的過程等效成碰撞，構(gòu)建類碰撞模型.如表1，2，其中水平面和導(dǎo)軌均光滑.

物理概念是運(yùn)用抽象、概括等方式進(jìn)行思維加工的產(chǎn)物.彈性碰撞與非彈性碰撞概念的建立可通過建模從形變、速度、能量角度對(duì)不同物體間碰撞過程進(jìn)行分析，得到結(jié)果，并進(jìn)而推廣.碰撞問題與日常生活聯(lián)系緊密，很多實(shí)際情景都可概括抽象成碰撞模型，定量和定性討論.

4 結(jié)語

在物理教學(xué)中，教師應(yīng)引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)識(shí)到物理規(guī)律的內(nèi)在一致性和適用范圍，把“知識(shí)與技能”“過程與方法”“情感態(tài)度與價(jià)值觀”作為教學(xué)的三維目標(biāo)，緊扣基礎(chǔ)教育改革的要求，培養(yǎng)學(xué)生的知識(shí)獲取能力、模型建構(gòu)能力、知識(shí)遷移能力和綜合應(yīng)用能力.

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