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弹性碰撞(又称完全弹性碰撞,此文中统称弹性碰撞)是高中物理重点研究的碰撞类型.笔者通过查阅目前不同版本的高中物理教材,发现它们关于弹性碰撞的定义有着不同的表述.在人教版普通高中课程标准实验教科书·物理·选修3-5中对弹性碰撞的定义是:如果碰撞过程中机械能守恒,这样的碰撞叫做弹性碰撞;在教科版普通高中课程标准实验教科书·物理·选修3-5中,其定义是:碰撞前后两滑块(这里的滑块是结合教材中给出的探究实验来说的,更一般地讲,指的是两物体)的总动能不变,这种碰撞称为弹性碰撞;在粤教版普通高中课程标准实验教科书·物理·选修3-5中,其定义为:若两球(此处的两球也是结合教材中两小球碰撞实验来说的,更一般地讲,指的是两物体)碰撞后形变能完全恢复,则没有能量损失,碰撞前后两小球构成的系统的动能相等,我们称这种碰撞为完全弹性的;在鲁科版普通高中课程标准实验教科书·物理·选修3-5中,其定义是:在理想情况下,物体碰后,形变能够完全恢复,不发热、发声,没有动能损失,这种碰撞称为弹性碰撞;在沪科版普通高中课程标准实验教科书·物理·选修3-5中,其定义为:在物理学中,把动量和动能都守恒的碰撞,叫做弹性碰撞.虽然不同版本的高中物理教材对弹性碰撞定义的表述不尽相同,但是其实质都是一样的,即在碰撞前后系统动能守恒的碰撞才是弹性碰撞,而且,在高中物理的实际教学中,教师、学生也都是这样来理解的弹性碰撞,从有关弹性碰撞的习题及考题中也能反映出这样的情况.但是,通过对碰撞问题的研究,笔者认为从碰撞前后系统动能守恒的角度出发来定义弹性碰撞存在不妥之处.本文将分析讨论这一问题,并在此基础上提出在中学物理教材中弹性碰撞定义的修改建议.
1高中教材弹性碰撞定义的不妥之处
综上所述,高中物理教材有关弹性碰撞的定义存在不妥之处——未能很好地将弹性碰撞概念与发生碰撞的弹性物体在法线方向上作用力的性质统一起来.虽然大学物理教材从恢复系数的角度出发来定义的弹性碰撞能够反映其普遍实质,但是考虑到高中阶段学生的知识基础,所以我们不能直接将大学物理教材中关于弹性碰撞的定义写进高中物理教材.但是从前面的叙述我们已经知道,当恢复系数e=1时,说明碰后物体是可以完全恢复形变的,反之亦然.基于此我们可以这样来定义弹性碰撞:在理想情况下(可忽略碰撞系统在碰撞过程中发声、发光),两物体发生碰撞后,如果两物体的形变能够完全恢复,这样的碰撞称为弹性碰撞.对弹性碰撞定义做如此修改之后,不仅很好地消除了高中物理教材中关于弹性碰撞定义的不妥之处,也使之与大学物理教材关于弹性碰撞的定义在实质上达成了一致.
在高中阶段,学生们遇到的有关弹性碰撞的习题及考题都是一维的(正碰),至于弹性斜碰一般在物理竞赛中才会出现.而且,通过前面的讨论我们不难得出:当物体间发生的是一维弹性碰撞,其系统的动能在碰撞前后是守恒的,对于碰后动能不守恒的弹性碰撞只有在弹性斜碰中才可能出现(比如物体间有摩擦力作用的弹性斜碰).因此,高中物理教材在给出上述关于弹性碰撞的修改定义之后,还须做一些补充说明:对于一维弹性碰撞(弹性正碰),其系统的动能在碰撞前后是守恒的;而对于弹性斜碰,如果在碰撞过程中不发热(碰撞物体间无摩擦力作用的情况),那么在碰撞前后系统的动能也是守恒的,反之,碰撞前后系统的动能是不守恒的.对教材内容做这样的补充之后,在高中阶段,当学生遇到有关弹性碰撞(一维弹性碰撞)的习题及考题时,在不改变原来习题的前提下,在需要的时候学生依旧可以结合动量守恒定律和碰撞前后动能守恒来求解相关习题.至于在物理竞赛中才会出现的弹性斜碰,特别是物体间有摩擦力的弹性斜碰,由于此时对学生知识能力的考察已经不仅仅局限于高中阶段的物理知识,学生需要掌握恢复系数e及其与弹性碰撞的关系,所以此时学生可以结合恢复系数来求解相关问题.·教法研究·
1高中教材弹性碰撞定义的不妥之处
综上所述,高中物理教材有关弹性碰撞的定义存在不妥之处——未能很好地将弹性碰撞概念与发生碰撞的弹性物体在法线方向上作用力的性质统一起来.虽然大学物理教材从恢复系数的角度出发来定义的弹性碰撞能够反映其普遍实质,但是考虑到高中阶段学生的知识基础,所以我们不能直接将大学物理教材中关于弹性碰撞的定义写进高中物理教材.但是从前面的叙述我们已经知道,当恢复系数e=1时,说明碰后物体是可以完全恢复形变的,反之亦然.基于此我们可以这样来定义弹性碰撞:在理想情况下(可忽略碰撞系统在碰撞过程中发声、发光),两物体发生碰撞后,如果两物体的形变能够完全恢复,这样的碰撞称为弹性碰撞.对弹性碰撞定义做如此修改之后,不仅很好地消除了高中物理教材中关于弹性碰撞定义的不妥之处,也使之与大学物理教材关于弹性碰撞的定义在实质上达成了一致.
在高中阶段,学生们遇到的有关弹性碰撞的习题及考题都是一维的(正碰),至于弹性斜碰一般在物理竞赛中才会出现.而且,通过前面的讨论我们不难得出:当物体间发生的是一维弹性碰撞,其系统的动能在碰撞前后是守恒的,对于碰后动能不守恒的弹性碰撞只有在弹性斜碰中才可能出现(比如物体间有摩擦力作用的弹性斜碰).因此,高中物理教材在给出上述关于弹性碰撞的修改定义之后,还须做一些补充说明:对于一维弹性碰撞(弹性正碰),其系统的动能在碰撞前后是守恒的;而对于弹性斜碰,如果在碰撞过程中不发热(碰撞物体间无摩擦力作用的情况),那么在碰撞前后系统的动能也是守恒的,反之,碰撞前后系统的动能是不守恒的.对教材内容做这样的补充之后,在高中阶段,当学生遇到有关弹性碰撞(一维弹性碰撞)的习题及考题时,在不改变原来习题的前提下,在需要的时候学生依旧可以结合动量守恒定律和碰撞前后动能守恒来求解相关习题.至于在物理竞赛中才会出现的弹性斜碰,特别是物体间有摩擦力的弹性斜碰,由于此时对学生知识能力的考察已经不仅仅局限于高中阶段的物理知识,学生需要掌握恢复系数e及其与弹性碰撞的关系,所以此时学生可以结合恢复系数来求解相关问题.·教法研究·