(湖北省松滋市第一中学，湖北 松滋 434200)

1 引言

两个相对运动的物体，在极短的时间内发生相互作用，使各自运动状态发生显著变化的过程叫做碰撞。因为碰撞过程具有时间极短、作用力极大、位移极小等特点，所以研究碰撞时采用了“黑匣子”思想：只聚焦碰撞前后的关系，忽略碰撞过程的细节。事实上，碰撞作为一种物理模型，其主要因素是相互作用，作用时间等均是次要因素。任何相互作用的两个物体，当不受外力作用，或所受外力极小、作用时间极短时，它们之间的相互作用过程都可以看作是碰撞，本文称之为类碰撞。分析研究类碰撞模型，可以从两个视角展开：第一，碰撞模型有关结论直接迁移到类碰撞模型，扩展了碰撞模型的运用范围；第二，深入分析相互作用过程，深度剖析碰撞模型。

2 碰撞模型深度剖析

2.1 “慢化”碰撞过程，把握内涵实质

碰撞过程可以分为两个过程：(1) 接触阶段，开始发生形变至形变最大，形变最大时，两物体速度相同(如图1)；(2) 分离阶段，恢复形变至完全分离。能够完全恢复形变的，属于弹性碰撞，无动能损失；不能完全恢复形变的，属于非弹性碰撞，有动能损失。碰撞后不分离的，称之为完全非弹性碰撞。

图1

2.2 “定格”典型情境，把握重要结论

因为相互作用的两个物体不受外力，所以两物体组成的系统动量守恒。设碰撞前物块A的速度为v0，物块B静止。设两物块的质量分别为mA、mB。

3 类碰撞模型分类分析

3.1 “保守型”碰撞

系统内两物体间的作用力做功是系统动能变化的原因，若做功的力仅为重力、弹簧弹力或电场力等保守力，当两物体的速度相等时，出现“类完全非弹性碰撞”现象，当保守力做的总功为0时，出现“类完全弹性碰撞”现象，我们把这类称为“保守型”类碰撞。

(1) 情景

如图2所示，在光滑水平长直轨道上，放着两静止的小球A和B，轻弹簧一端固定在小球B上，另一端处于自由状态，两小球质量mA=mB=m，现突然给小球A一个向右的速度v0，试分析从开始运动到弹簧第一次恢复原长这一过程中两球的运动情况及能量变化情况。

图2

图3

(2) 运动学分析

A球做加速度先增大后减小的减速运动，同时B球做加速度先增大后减小的加速运动，在t1时刻两球达到共同速度v1，其v-t图像如图3。

(3) 能量分析

(4) 动量分析

拓展与归纳的情况如表1所示。

表1

续表

3.2 “耗散型”碰撞

若做功的力涉及摩擦力等耗散力，它们做功的代数和为负值，系统的动能必然减小，不会出现“类完全弹性碰撞”现象，且当两物体的速度相等时，出现“类完全非弹性碰撞”现象，我们把这类称为“耗散型”碰撞。

(1) 情景

如图4所示，质量为M、长为l的长木板静止放置于光滑水平面上，一颗质量为m的子弹以水平速度v0射入木块，恰好能从A中穿出，子弹在木块中受到的阻力可视为恒力，且子弹可视为质点。分析子弹穿越木板过程两者的运动情况及能量变化情况。

图4

图5

(2) 运动学分析

子弹做匀减速运动，木块做匀加速运动，在t1时刻两者达到共同速度v共，子弹恰好到达木板右边缘处，其v-t图像如图5。

(3) 能量分析

(4) 动量分析

拓展与归纳的情况如表2所示。

表2

4 结语

碰撞模型及其类碰撞模型是高中物理中一个重要的理想化过程模型，从物理观念来看，碰撞模型涉及相互作用观、运动观、能量观；从科学思维来看，需要学生进行模型建构、科学推理等；从科学探究来看，探究碰撞中的不变量，需经历提出问题、寻找证据、推理解释、分享交流等环节；从科学态度来看，通过对碰撞现象的探究学习，有利于学生认识科学本质，最终形成科学态度和责任。通过研究碰撞前后动量、能量关系，能够从“宏观”上认识物理规律；就类碰撞模型进行动力学分析，能够很好地认识相互作用过程细节，从“微观”上深度剖析物理过程。把碰撞模型和类碰撞模型综合起来进行教学，可以起到相互补充的教学效果，有利于学生核心素养的提升。