师:同学们,今天我们要学习的内容是物体的碰撞,主要包括生活中的碰撞现象及其特点和分类,历史上对碰撞问题的研究,以及弹性碰撞和非弹性碰撞的特征。说到碰撞,同学们能想起生活中的哪些现象呢?像打桩机与桩撞击、铁锤钉钉子,这些撞击现象都属于碰撞。打网球时,网球与网球拍的相互作用,玩蹦床时,人的脚跟床的相互作用,也都是碰撞。当然,有些碰撞会造成严重后果,比如两辆车相撞引发车祸,飞机飞行时被鸟撞上导致空难。所以在工业设计中,对可能发生碰撞的机械或建筑,各部分强度设计都要经过精密计算。
碰撞不止发生在两个物体之间,比如打台球,发球时不仅白球与色球碰撞,各色球之间也相互碰撞、快速散开。两个或两个以上的物体在相遇的极短时间内,运动状态发生显著变化的相互作用过程,就叫做碰撞。从碰撞的定义可知它有两个特点:相互作用时间极短,相互作用力极大,即碰撞物体之间的内力远大于外力。
大家认真观察这个动图,白球打过来时,黑球一开始几乎没动。同样,图片里两个接触的小球,没直接撞击的小球快速飞出,直接撞击的小球却几乎没动,这有什么规律呢?早在17世纪,伽利略就发现了碰撞问题,他设计了一个实验来研究。这是两个容器,有个带塞的小孔,这边是平衡砝码,整个装置像个杠杆吊着,类似平常的秤。带塞小孔打开,水流下来撞击下面容器,通过改变平衡砝码的多少,可测出水的冲击力。他想通过这个碰撞实验研究冲击力与重量和速度的关系,但因不能恰当解释现象,最终失败。不过,他敏锐察觉到重量和速度的关系,主张用两者乘积作为机械运动的度量,给后人留下启示和研究空间。
伽利略虽第一个提出碰撞问题,但最早发表研究成果的是马尔西。课本上有幅图,用炮弹打出一个球,碰撞一排相互接触且大小相同的球,这个实验如今很难重复,不过我们可以做类似的。比如,用弹射装置代替炮弹,一排整齐排列的硬币代替其他小球。用一个硬币发射碰撞其他硬币,会发现只有最后一个硬币被弹出来,其他硬币几乎不动,增加硬币数量结果也一样。还有熟悉的牛顿摆,抬起一个小球释放碰撞其他小球,只有最后一个小球被弹开,中间小球几乎不动。马尔西通过这些实验现象得出结论:一个物体与另一个大小相同的静止物体做弹性碰撞,会失去自身运动,把速度等量交给另一个物体。虽然他没给出一般性碰撞公式,但得出定性结论,对后来科学家研究有启示作用。
笛卡尔继承伽利略说法,定义运动的量为物质的量和速度的乘积,即我们接下来要学的动量。在此基础上,他总结碰撞研究,首次明确提出运动守恒思想,也就是动量守恒定律的基本思想。运动守恒思想把运动研究推向新高度,但当时很多物理概念定义模糊,笛卡尔忽略了速度的矢量性,而动量是质量和速度的乘积,是矢量。后来科学家解决了这些问题,比如惠更斯通过弹性摆球碰撞实验发现两个碰撞规律。第一个实验,两个相同弹性小球以大小相等、方向相反的速度碰撞后,各自以同样速度反弹回去;第二个实验,一个运动的弹性小球碰撞另一个静止小球,运动小球静止,静止小球获得原来运动小球的速度。通过这两个实验,他得到碰撞规律,经多次研究分析,发现动量的方向性,在力学发展史上意义重大。牛顿也重复了这个实验,进一步讨论空气阻力影响和测量速度的改进方法,总结出碰撞定律,提出作用与反作用定律。碰撞问题的研究对牛顿力学建立有积极作用,牛顿指出物质的量度是质量,定义动量为速度和质量的乘积,理清质量和重量,使动量概念得到认可,所以牛顿是第一个真正建立动量概念的物理学家。
