1.5弹性碰撞和非弹性碰撞 课件-2024-2025学年高二上学期物理人教版（2019）选择性必修第一册

第一章 动量守恒定律 第五节 弹性碰撞和非弹性碰撞 教材分析： 本章为学生进一步形成运动与相互作用观提供帮助。本章结构设计在强调知识传授的同时，还要体现科学探究精神，强调物理学中的“守恒思想”。本节的设计不仅为让学生加深对碰撞知识的理解，而且还应把它作为载体，深入细致地贯彻学科核心素养中地科学思维和科学探究地要素，在真实、典型、有意义的情境中引导学生应用动量守恒定律。本节通过探究弹性碰撞和非弹性碰撞的特点，培养学生建构模型的意识和能力、培养学生的科学探究的意识和能力，从而让学生形成物理学科的核心素养。 学情分析： 学生已经学习了机械能守恒、动量定理和动量守恒等基础知，已具备了一定的运动状态和受力分析的意识和能力。经过前面四节的学习，学生已经从实验到理论，再从理论到实验，对碰撞中的动量守恒有了较为清晰的认识。本节的设计以碰撞实例为载体，经历实验探究、理论推导，在真实情境中建立弹性碰撞和非弹性碰撞的相关概念。学生通过对弹性碰撞和非弹性碰撞的讨论，进一步加深对动量和动能的理解，提升运动与相互作用观及能量观。 目标分析： 【内容要求】 1.1.1理解冲量和动量。通过理论推导和实验，理解动量定理和动量守恒定律，能用其解释生产生活中的有关现象。知道动量守恒定律的普适性。 例1知道火箭的发射利用了反冲现象。 例2 收集资料，了解中子的发现过程，讨论动量守恒定律在其中的作用。 1.1.2 通过实验，了解弹性碰撞和非弹性碰撞的特点。定量分析一维碰撞问题并能解释生产生活中的弹性碰撞和非弹性碰撞现象。 1.1.3 体会用守恒定律分析物理问题的方法，体会自然界的和谐与统一。 例3 查阅资料，了解太空物体的碰撞和微观粒子的碰撞等相关信息。 活动建议 （1） 制作“水火箭”。 （2） 观察台球碰撞前后的运动情况，尝试用动量知识定性解释。 目标分析： 【物理观念】了解弹性碰撞、非弹性碰撞和完全非弹性碰撞。 【科学思维】会应用动量和能量的观点综合分析解决一维碰撞问题。 【科学探究】观看演示实验后学生分组探究碰撞现象的特点，教师引导总结碰撞问题中的守恒量和可变量，能对常见的一维碰撞问题进行定量计算。 【科学态度与责任】感受不同碰撞的区别，培养学生勇于探索的精神。加深对动量守恒与能量守恒定律的理解，能运用这两个定理解决一些简单的与生产、生活相关的实际问题。 理解弹性碰撞与非弹性碰撞的概念及特点，并能会应用动量和能量的观点综合分析解决一维碰撞问题。 重点： 难点： 目标分析： 应用动量和能量的观点综合分析解决一维碰撞问题 打台球 打乒乓球 钉钉子 打桩机打桩 教学过程： 打篮球时的肢体碰撞 冰壶 引入新课: 生活中存在着各种碰撞现象 教学过程： 定义：相对运动的物体相遇，在极短时间内，通过相互作用，运动状态发生显著变化的过程叫碰撞。 特点： 1.相互作用时间极短； 2.在极短时间内，内力从零变到极大又 迅速变为零，其平均值很大； 3.碰撞过程中系统所受合外力为零或者远远小于内力； 4.碰撞过程两物体产生的位移可忽略，可认为碰撞前后物体处于同一位置 系统的动量是守恒的； 碰撞： 教学过程： 问题： 碰撞是自然界中常见的现象。陨石撞 击地球而对地表产生破坏，网球受球拍撞击而改变运动状态…… 物体碰撞中动量的变化情况，前面已 进行了研究。那么，在各种碰撞中能量又是如何变化的？ 教学过程： 物体碰撞时，通常作用时间很短，相互作用的内力很大，因此，外力往往可以忽略不计，满足动量守恒条件。下面我们从能量的角度研究碰撞前后物体动能的变化情况，进而对碰撞进行分类。 如图滑轨上有两辆安装了弹性碰撞架的小车，它们发生碰撞后改变了运动状态。测量两辆小车的质量以及它们碰撞前后的速度，研究碰撞前后总动能的变化情况。 探究实验：研究小车碰撞前后的动能变化 研究两辆小车碰撞前后总动能的变化情况 教学过程： 实验1：弹性碰撞 教学过程： 实验1 碰撞前 碰撞后 名称 质量 通过光电门的时间 通过光电门的速度 动量 动能 通过光电门的时间 通过光电门的速度 动量 动能 滑块1 m1=m 15.6ms v 0 0 滑块2 m2=m 0 0 15.6ms v mv mv 0 0 0 0 教学过程： 实验2：非弹性碰撞 实验1 碰撞前 碰撞后 名称 质量 通过光电门的时间 通过光电门的速度 动量 动能 通过光电门的时间 通过光电门的速度 动量 动能 滑块1 m1=m 13.1ms v 26.6ms 滑块2 m2=m 0 0 26.6ms mv 0 0 教学过程： 1．弹性碰撞：如果碰撞过程中机械能守恒、动量守恒，这样的碰撞叫做弹性碰撞。 2．非弹性碰撞：如果碰撞过程中机械能不守恒、动量守恒，这样的碰撞叫做非弹性碰撞。 弹性碰撞和非弹性碰撞： 教学过程： 【例题1】：如图，在光滑水平面上，两个物体的质量都是m，碰撞前一个物体静止，另一个以速度v 向它撞去。碰撞后两个物体粘在一起，成为一个质量为2m 的物体，以一定速度继续前进。碰撞后该系统的总动能是否会有损失？ 分析： 可以先根据动量守恒定律求出碰撞后的共同速度 v′，然后分别计算碰撞前后的总动能进行比较。 教学过程： 解：根据动量守恒定律， 2mv’=mv,则 v’=1/2v 碰撞前的总动能 碰撞后的总动能(2m) = 可见，碰撞后系统的总动能小于碰撞前系统的总动能。 对心碰撞 如图两个小球相碰，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。这种碰撞称为正碰，也叫作对心碰撞或一维碰撞。 对心碰撞 教学过程： 弹性碰撞的实例分析： 非对心碰撞 一个运动的球与一个静止的球碰撞，如果碰撞之前球的运动速度与两球心的连线不在同一条直线上，碰撞之后两球的速度都会偏离原来两球心的连线。如图乙、丙所示。 教学过程： 非对心碰撞 教学过程： 思考： 发生弹性碰撞的两个物体，由于质量不同，碰撞后的速度将有哪些特点？ 教学过程： 我们假设物体 m1 以速度 v1 与原来静止的物体 m2 发生正碰，如图所示。碰撞后它们的速度分别为 v1′和 v2′。 运动物体与静止物体碰撞 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：m1 v1 ＝ m1 v1′＋ m2 v2′ （1） 弹性碰撞中没有动能损失，于是可以列出另一个方程： m1 v12 ＝ m1 v1′2＋ m2 v2′2 （2） 从方程（1）（2）可以解出两个物体碰撞后的速度分别为： v1′＝ （3） v2′＝ （4） 我们对几种情况下（3）（4）的结果作一些分析。 教学过程： 若 m1 ＝ m2，这时有:m1 － m2 ＝ 0，m1 ＋ m2 ＝ 2m1。 根据（3）（4）两式，得v1′＝ 0 v2′＝ v1 这表示第一个物体的速度由 v1 变为 0，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。 教学过程： 牛顿摆 若 m1>>m2 ，这时有m1 － m2 ≈ m1 ，m1 ＋ m2 ≈ m1。根据（3）（4）两式，得v1′＝ v1 v2′＝ 2v1 这表示碰撞后，第一个物体的速度几乎没有改变，而第二个物体以 2v1 的速度被撞出去. 教学过程： 教学过程： 演示实验 保龄球比赛中，用大号保龄球击打球瓶时，球与瓶的碰撞就类似这种情况 若 m1<< m2，这时有m1 － m2 ≈ － m2， ≈ 0 根据（3）（4）两式，得:v1′＝－ v1 v2′＝ 0 教学过程： 教学过程： 用乒乓球撞击保龄球，就会出现这种现象，保龄球保持静止，而乒乓球以大致相同的速率被弹回。 碰撞的种类及特点： 分类标准 种类 特点 能量是 否守恒 弹性碰撞 动量守恒，机械能守恒 非弹性碰撞 动量守恒，机械能有损失 完全非弹性碰撞 动量守恒，机械能损失最大 碰撞前后动量 是否共线 对心碰撞(正碰) 碰撞前后速度共线 非对心碰撞(斜碰) 碰撞前后速度不共线 教学过程： 科学方法：抽象与概括 物理概念是运用抽象、概括等方法进行思维加工的产物。为了揭示事物的本质和规律，往往需要根据研究对象和问题的特点，从研究的目的出发，忽略个别的、非本质的属性，抽取共同的、本质的属性进行研究，这是一种抽象的思维方法。把事物共同的、本质的属性提炼出来，从而推广到同类事物上去，找到事物的共同属性，这是一种概括的思维方法。 教学过程： 在动量概念的建立过程中，物理学家研究了各种各样的碰撞现象，寻找物理量来揭示运动的本质，发现：“每个物体所具有的‘动量’在碰撞后可以增多或减少，但是在碰撞前后系统的这一量值却保持不变”。科学前辈就是在追寻不变量的努力中，通过抽象、概括等方法提出了动量的概念，并通过动量守恒定律建立了自然界的相互联系。 科学方法：抽象与概括 教学过程： 弹性碰撞与非弹性碰撞概念的建立是从动能变化的角度对不同物体间碰撞过程抽象的结果，而碰撞问题与日常生活联系紧密，很多实际情景可概括抽象成碰撞模型，比如我们把汽车碰撞、子弹射入放置在地面上的木块等看作非弹性碰撞，把发生在刚性物体间的碰撞往往近似为弹性碰撞，把微观粒子间的碰撞看作弹性碰撞。 巩固练习 1、质量为m1的A球从高度为H处由静止开始沿曲面下滑，与静止在水平面上质量为m2的B球发生正碰，两球大小相同，碰撞时间极短，碰撞过程中没有动能损失。不计一切摩擦，重力加速度为g。求：两球发生第一次碰撞后各自的速度大小vA、vB。  A下滑过程机械能守恒，得 A、B碰撞过程系统动量守恒，机械能守恒， 得， 【解析】 2、质量为和的两个物体在光滑水平面上正碰，其位置坐标随时间变化的图像如图所示。下列说法正确的是（ ） 碰撞前的速率大于的速率 碰撞后的速率大于的速率 C. 碰撞后的动量大于的动量 D. 碰撞后的动能小于的动能 [解析]位移-时间图像的斜率表示速度，则由图像可知，碰前 处于静止状态，碰后两物体速率相等、运动方向相反，、均错误。碰撞过程中动量守恒，有，可知，正确。由、碰后两物体速率相等可知，则 的动能大于 的动能，错误。 答案：C 3. 如图所示，半径的竖直半圆形光滑轨道与水平面相切。质量的小滑块放在半圆形轨道最低点处，另一质量也为的小滑块，由点以的水平初速度向右滑行并与相碰，碰撞时间极短，碰后、粘在一起运动。已知、间距离，与水平面之间的动摩擦因数，取重力加速度，、均可视为质点。 （1） 求与碰撞前瞬间速度的大小； （2） 求与碰撞后瞬间速度的大小； （3） 判断碰撞后、能否沿半圆形轨道到达最高点。若能到达，求轨道最高点对、的作用力的大小；若不能到达，说明、将做哪种运动。 [解析] 在水平面上做匀减速直线运动，根据动能定理得 解得 、碰撞过程中，由动量守恒定律得 解得 （3）假设能到达 点，、从 到 过程由机械能守恒定律得 解得 在 点，根据牛顿第二定律得 当 时，解得，,故不能到达最高点。由于假设到达 点时还具有速度，说明、已沿轨道越过圆心等高处，离开轨道后、将做斜抛运动。 谢谢！ $$