力学教学笔记之碰撞问题

作者: 姬扬

来源: 中科院之声

发布日期: 2016-10-31 10:28:18

本文通过碰撞问题讲解了大学普通物理中《力学》的基本内容,涉及牛顿三大定律、质心参考系、动量守恒等概念,并探讨了碰撞问题的分类及其在不同科学领域的应用。

谈谈碰撞问题吧。利用碰撞问题来讲讲大学普通物理中《力学》的基本内容。首先,要有一个物体。当只有这一个物体的时候,它会保持静止或匀速直线运动,因为没有其他东西给它施加作用力嘛。这就是牛顿第一定律。其次,碰撞最少还要一个物体。两个物体才会发生碰撞,它们会彼此施加力的作用。对于任何一个物体来说,力的作用会改变它的运动状态,运动的变化与所加的力成正比,并且发生在力的方向上。这就是牛顿第二定律。

所以,碰撞后两个物体的运动状态都会发生变化。然后,两个物体之间的相互作用力大小相等,方向相反。这就是牛顿第三定律。所以,两个物体作为一个整体来说,其运动状态在碰撞后不会发生变化。这就引入了质心的概念。同时,两个物体相对于彼此的运动比照质心参考系来说更快了,这就引入了约化质量的概念。碰撞的过程中动量守恒。最便于描述碰撞过程的参考系是质心参考系,因为该参考系中的两个物体的总动量为零。

碰撞前,每个物体的动量大小相等,方向相反;碰撞后,每个物体的动量仍然是大小相等,方向相反。但是碰撞前后的大小和方向都可以发生变化。知道了质心坐标系的碰撞结果,很容易转变到任何其他的惯性参考系中,比如说,实验室参考系。在碰撞的过程中,动能没有必要是守恒的。两个物体可以粘在一起,这样它们就不动了,动能为零;两个物体的碰撞也可能引发爆炸,化学能或者核能可以转化为动能。

所以,碰撞过程可以分为弹性碰撞和非弹性碰撞。弹性碰撞过程中,动能是守恒的;非弹性碰撞中,碰撞前后的动能不一样,通常说动能变小,甚至还引入了小于1的恢复系数来描述它,其实动能也是可以增大的。这就是经典力学中的碰撞问题了。这样的碰撞涉及的物体大小和速度都与我们的日常经验相差不大。至少有两种不适用的。一种是碰撞体太小了,这就会涉及到量子力学;另一种是运动速度太快了,这就涉及到相对论。

高能粒子对撞机同时涉及了量子力学和相对论的修正,但是它仍然是个碰撞问题。特别的地方在于,碰撞的后果比较严重,碰撞前的是两个状态稳定的家伙,碰撞后可能就是乱七八糟的一堆疯子了。但是,他们也满足动量守恒,其能量和动量分布能够反映出碰撞的细节。高能物理学研究的就是这东西。两体碰撞问题也可以很容易地推广到多体碰撞,乃至一个物体与流体的运动问题。

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