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碰撞(collision)详解!

2019-10-28

在IGCSE及A-level物理中,collision这个词汇是我们经常看到的。在碰撞(collision)过程中会出现各种各样的有意思的物理现象,而某些物理现象的解释也会从碰撞的角度去分析。提到碰撞我们就会想到两个很重要的概念:momentum和kinetic energy。那么各自的定义同学们还记得么?


Momentum: product of mass and velocity.

Kinetic energy:


其中,我们需要特别注意的是momentum是一个vector, magnitude 和direction任何一个的变化都会导致momentum发生变化,而momentum的变化就会推导出force来。Kinetic energy是scalar,它不会随着velocity方向的改变而改变。


IGCSE阶段的我们曾经遇到这样的问题,为什么会存在气体压强?


Answer: Air molecules collide with the wall of container. During the collision, momentum changes. Force is produced. So pressure exists.


在这个回答中,我们发现了collision这个单词,而其实气体压强的产生就是因为分子的碰撞。那么在实际问题的处理中,还会涉及到能量的概念,我们会将collision分为elastic collision和inelastic collision。很多同学对这类问题的分析会有点疑惑。


IAL中,elastic collision是指momentum is conserved。同时 kinetic energy is conserved。但这么说的前提是,在一个closed system里。而在更广泛的应用上,elastic collision是和energy联系在一起的。比如在科学研究上经常用的材料表征手段x-ray diffractor (x射线衍射仪), 科研工作者们用x-ray来研究材料的微观结构。这个手段背后的理论就是elastic collision. 当我们说某个collision是elastic的,那么发生碰撞的物体的kinetic energy肯定不变。


那么momentum呢?这个还真得具体情况具体分析了。


如下题:


1.png


Answer: C.


部分同学可能因为看到题目中指明了这是elastic collision就直接选A。根据我们刚刚提到的,kinetic energy肯定不变,当谈到momentum的时候,我们就需要小心了。在这个题中,是一个mass和wall碰撞,这种碰撞中mass和wall不能算是一个system.所以momentum不守恒。像两个mass相碰撞的情况,如果是elastic的,那么momentum和kinetic energy就会全部守恒。


2.png


总结下来:只有在closed system里,elastic collision中才会momentum+kinetic energy都守恒。在非closed system里,elastic collision中的kinetic energy肯定守恒,但momentum需要具体案例具体分析哦。


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