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关于碰撞的问题

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关于碰撞的问题

我们都知道当一个质点以某一入射角碰到一光滑平面时,若是弹性碰撞,则质点以反射角等于入射角的方向反射,如果是一个带一定自旋的小球入射,入射时(碰撞前)小球自转的轴线与入射方向垂直,角速度大小为已知,小球质心的速度大小和方向为已知,如果也是弹性碰撞,那么小球反射时(碰撞后)的质心速度大小和方向,小球自转的角速度大小分别是多少?怎么分析的?

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  • 2018-02-10 01:52:31
      平面是光滑的---摩擦力为零,小球碰到平面时没有摩擦力,小球就不会受到外力矩的作用,而平面对小球的弹力方向穿过质心,力矩也为零,于是,小球的旋转不会受到影响,自转的角速度没有变化,小球反射时(碰撞后)的质心速度大小和方向都和没有旋转的时候一样。
       如果摩擦力不为零---那就是另一个问题了。现在讨论一下: 先来定义一下, 入射平面---小球质心入射轨迹与法线所在平面, 法线---过小球入射点且垂直于被碰平面的直线。 入射角θ---小球质心入射轨迹与法线夹角, 反射角φ---小球质心反射轨迹与法线夹角。
       V---入射前小球质心速度,沿X和Y轴方向分解为Vx和Vy, U---反射后小球质心速度,沿X和Y轴方向分解为Ux和Uy。 建立直角坐标系,入射点为原点O,Y轴与法线重合,X轴为入射平面与被碰平面交线。设入射前小球自转的轴线与入射平面垂直,小球绕轴顺时针旋转,碰撞是弹性的,被碰平面质量非常大。
      X轴方向, mΔVx=mUx-mVx=fΔt,ΔVx=fΔt/m,其中f为碰撞时小球所受摩擦力。 Y轴方向,为了求出Uy,先设Vx=0,此时小球垂直碰撞平面,由动量守恒定律和机械能守恒定律有 mVy+0=mUy+Mu, mVy²/2+0=mUy²/2+Mu²/2, 其中M,u分别为被碰平面质量和速度,可以求得, u=2mVy/(m+M), Uy=(m-M)Vy/(m+M), 由于M很大,远大于m,所以u≈0,Uy≈-Vy,可当 u=0, Uy=-Vy, 当Vx≠0时,由于小球在X轴方向对平面没有碰撞,所以Vx等不等于零无所谓,始终有Uy=-Vy=Vcosθ,现在看Y轴动量变化 mΔVy=mUy-mVy=FΔt=-2mVy=2mVcosθ,其中F为小球碰撞时所受Y轴方向作用力,即正压力,f=μF,μ为滚动摩擦阻力系数,于是, ΔVx=fΔt/m=μFΔt/m=μ·2mVcosθ/m=2μVcosθ, Ux=Vx+ΔVx=Vsinθ+2μVcosθ, U²=Ux²+Uy²=[Vsinθ+2μVcosθ]²+(Vcosθ)² =V²(1+2μsin2θ+4μ²cos²θ), 开方即得U,方向由 tanφ=Ux/Uy=(Vsinθ+2μVcosθ)/Vcosθ =tanθ+2μ 决定。
      摩擦力f力偶矩为fr=μFr,r为小球半径。 -μFrΔt=IΔω=2mr²Δω/5,其中惯量I=2mr²/5,式子中的负号“-”是因为摩擦力f力偶矩的方向与小球自转的角速度方向相反, Δω=-5μVcosθ/r, 所以反射后,小球自转的角速度大小为 Ω=ω+Δω=ω-5μVcosθ/r。
       逆时针旋转情况讨论方法相同。其他方向的自转情况在此不讨论。 。

    y***

    2018-02-10 01:52:31

其他答案

    2018-02-10 02:52:31
  • 不妨这样看吧,把这个小球看成电子,电子也是有自旋的,当电子和原子碰撞时,由于电子和原子尺寸上的差距,从作用的局部区域来看,原子表面可看成一睹墙,类似于本问题中的金属板,当分子电子与原子碰撞时,主要是考擦能量和动量的交换问题,并不涉及到自旋问题。所以这个自选的小球碰撞前后应该和之前的没太大变化。这里主要是由于,把平板质量看成无穷大,小球不足以改变平板的状态,根据相互作用原理,板反过来也不能改变球的角动量,因而不会影响自旋。

    公***

    2018-02-10 02:52:31

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