小球与匀质细杆的碰撞
——大学物理教学问题探讨

刘凤艳 韩守振 苏雪琼

(北京工业大学理学部 物理与光电学院,北京 100124)

大学物理教学中,小球与细杆的碰撞问题是刚体力学中的一个难点问题。由于大部分中学物理不讲解刚体、转动惯量等概念,遇到这类问题很多学生还是尝试利用动量守恒来处理[1]。据作者多年的教学经验,相当比例的学生不理解碰撞过程中动量为何不守恒,而错误地对小球—细杆系统用动量守恒定律求解。大学物理教学应该想办法弥补这方面教学的缺失,也可以利用这部分知识的讲解使学生从中学思考物理问题的方式转变到大学物理思考问题的方式。小球与细杆的碰撞问题涉及的力学知识点是比较多的,包括刚体的性质、转动惯量、质心的概念、弹性和非弹性碰撞等。因此对这个碰撞问题的分析与讨论,可以帮助提升学生对刚体力学各种概念的理解,也可以提高学生分析、解决问题的能力。正因为如此,有很多物理竞赛题也是就小球与细杆的碰撞问题而设计的,以此来考查学生解决物理问题的能力。比如,寻找保持细杆悬挂轴水平方向受力为零(此时水平方向动量也守恒)的位置,小球击打自由落体的细杆等。这些习题可以起到非常好的训练效果。

综上所述,为了较为系统的讲解小球与细杆的碰撞问题,本文通过两个实例进行分析计算,给出在碰撞过程中小球—细杆组成的系统动量、角动量和动能是否守恒,何时守恒,以及碰撞之后小球和细杆的运动方式。……