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碰撞(物理学名词)

“碰撞”在物理学中表现为两粒子或物体间极短的相互作用。 碰撞前后参与物发生速度,动量或能量改变。由能量转移的方式区分为弹性碰撞和非弹性碰撞。弹性碰撞是碰撞前后整个系统的动能不变的碰撞。弹性碰撞的必要条件是动能没有转成其他形式的能量(热能、转动能量),例如原子的碰撞。非弹性碰撞是碰撞后整个系统的部分动能转换成至少其中一碰撞物的内能,使整个系统的动能无法守恒。

两个作相对运动的物体,接触并迅速改变其运动状态的现象。可以是宏观物体的碰撞,如打夯、锻压、击球等,也可以是微观粒子如原子、核和亚原子粒子间的碰撞。经典力学中通常研究两个球的正碰,即其相对速度正好在球心的联线上。由于碰撞过程十分短暂,碰撞物体间的冲力远比周围物体给它们的力为大,后者的作用可以忽略,这两物体组成的系统可视为孤立系统。动量和能量守恒,但机械能不一定守恒。如果两球的弹性都很好,碰撞时因变形而储存的势能,在分离时能完全转换为动能,机械能没有损失,称完全弹性碰撞,钢球的碰撞接近这种情况。如果是塑性球间的碰撞,其形变完全不能恢复,碰撞后两球同速运动,很大部分的机械能通过内摩擦转化为内能,称完全非弹性碰撞,如泥球或蜡球的碰撞,冲击摆也属于这一类。介于两者之间的即两球分离时只部分地恢复原状的,称非完全弹性碰撞,机械能的损失介于上述两类碰撞之间。微观粒子间的碰撞,如只有动能的交换,而无粒子的种类、数目或内部运动状态的改变者,称弹性碰撞或弹性散射;如不仅交换动能,还有粒子能态的跃迁或粒子的产生和湮没,则称非弹性碰撞或非弹性散射。在粒子物理学中可借此获得有关粒子间相互作用的信息,是颇为重要的研究课题。

碰撞过程时间极短,所以内力总是大于外力,动量必守恒。

(1)碰撞一般分为压缩阶段和恢复阶段两个过程。

(2)碰撞可以分为以下几类:完全弹性碰撞、完全非弹性碰撞和非完全弹性碰撞。

碰撞中的能量转化

在压缩阶段中物体的动能转化为其他形式的能量,而在恢复阶段中其他形式的能量转化为动能。

在完全弹性碰撞中,碰撞前后总动能不变。

两个物体互相碰撞,能量不转换为内能(如热或变形)。按照热力学第一定律,碰撞前动能和与碰撞后动能和相等。在动量守恒定律中碰撞前的动量(向量)和同样等于碰撞后的动量和。

理想弹性碰撞在宏观上是一个物理模型。由于摩擦和其他因素的存在,系统总会损失动能。相关的模型如台球和橡胶球。

在原子和基本粒子的碰撞中,依据量子力学存在一个最小能,这个最小能给原子或其他粒子以推动力,或在量子物理学中创造和和转换粒子提供必要条件。这个能量仍然不足以发生理想弹性碰撞。

按照热力学第一定律,碰撞前后的动量和必须相等。

动量的方向不可忽略,因为向量和在n维空间(n>1)中是一个大数值。向量平方在能量守恒定律中视作标量。因此请注意,以下算式中速度与碰撞方向相同(相切),而不是相交。

在二维或多维空间中必须将碰撞依据碰撞角拆开分析。

在“非弹性碰撞”中一部分动能转化为内能(U)。当物体在碰撞时发生变形或发热时,碰撞称为“非弹性的”。非弹性碰撞满足动量守恒,但不满足机械能守恒(部分转换为内能)。

在完全非弹性碰撞中,碰撞后完全不反弹,尽可能多的动能部分转化为内能,则在这种碰撞系统中动能损失最大。因此两个物质在碰撞后“粘”在一起并按照相同的速度继续飞行。例如两个橡皮泥球在碰撞后互粘在一起并按同一速度继续移动。

在超弹性碰撞中内能转换超过最少中一个碰撞物的动能。其动能在此次碰撞后大于其碰撞前的动能。数学表达同总述的非弹性碰撞,为U < 0.

一个运动的球与一个静止的球碰撞,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。这种碰撞称为斜碰,也叫非对心碰撞

一物体对某固定物体如地面、墙的碰撞属此类型,也可分为正碰撞和斜碰撞。

当物体甲与可绕O轴转动的物体乙发生碰撞时,物体乙突然获得一角速度变化(图4)。一般在乙的支承O处也立刻产生一碰撞反力,其大小跟碰撞作用的位置,即距离OO1有关。但在特殊条件下,悬挂物体虽受冲击力,其约束力仍可为零。

散射

在粒子物理,原子物理或者当一个光子作为碰撞物之一时,碰撞也称为散射,散逸或漫射。当一个粒子在碰撞中向另一个能级跃迁时,也称作非弹性碰撞(非弹性散射)。当多数光子参与一个非弹性散射时会改变其总波长。相关请参阅散射和散射原理。

反应碰撞来自反应,如化学反应或通过高能粒子在量子物理学中的碰撞产生新的粒子。在此必须注意,碰撞前后不同的粒子提供了能量和动量。在碰撞过程中速度变化的同时也存在粒子质量和数量的变化。

反应碰撞的一种类型如“电负性交换”:一个原子,分子或离子,一个或多个电子交换的原子物理学过程。很可能在此过程中一个电子给其中一个碰撞物带上正电性。如太阳风中的正电子(参见高能离子)通过彗星周围的气层时被捕获并发出x射线。

用碰撞时产生的巨大碰撞力来产生巨大瞬时力,如各种冲压机、打桩机、炮弹穿甲等。相反地,有时要 避免巨大碰撞力的危害,采用各种缓冲装置,如弹性体或液压缓冲器,以延长碰撞时间,从而减小碰撞力。碰撞已成为现代工程技术中一个重要的力学问题。巨大的碰撞力和连续作用的碰撞,对材料的强度和疲劳有很大影响。此外,仪表、装置和设备应保证在其载体受到碰撞和冲击载荷时,能够正常工作,不致松动、失灵和损坏。

1、词条作者:高为炳.《中国大百科全书》74卷(第一版)力学 词条:碰撞:中国大百科全书出版社,1987 :379-380页.


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