19013

Кинематика и динамика упругого столкновения частиц. Переход в Ц-систему. Импульсные диаграммы. Связь углов рассеяния в Л- и Ц-системах

Лекция

Физика

Лекция 11. Кинематика и динамика упругого столкновения частиц. Переход в Цсистему. Импульсные диаграммы. Связь углов рассеяния в Л и Цсистемах Столкновение двух частиц называется упругим если оно не сопровождается изменением их внутреннего состояния в том числе не ...

Русский

2013-07-11

1.06 MB

49 чел.

Лекция 11. Кинематика и динамика упругого столкновения частиц. Переход в Ц-систему. Импульсные диаграммы. Связь углов рассеяния в Л- и Ц-системах

Столкновение двух частиц называется упругим, если оно не сопровождается изменением их внутреннего состояния, в том числе не изменяется их внутренняя энергия. Термин "столкновение" предполагает, что взаимодействие между частицами  происходит в течение какого-то ограниченного времени, после чего частицы движутся как свободные.

Процесс упругого столкновения можно проанализировать в рамках законов сохранения энергии и импульса. Эти результаты получались и подробно исследовались в курсе общей физики. Здесь мы интерпретируем их графически с помощью так называемых импульсных диаграмм. Ограничимся подробным рассмотрением простого, но важного и часто встречающегося случая, когда вторая частица до столкновения покоилась (в общем случае формулы очень громоздки), т.е.

,              (1)

В этом случае импульс системы и относительный импульс определяются импульсом первого тела

      и         (2)

Тогда импульсы те в системе центра инерции до и после столкновения равны:

,                     (3)

,                 (4)

( - приведенная масса). Кинетическая энергия в Ц-системе

    (5)

Тогда формулы для импульсов тел в Л-системе после столкновения можно записать в виде:

  (6)

  (7)

Рассмотрим три случая, которые отличаются друг от друга соотношением масс частиц  и .

1. Налетающая частица  легче покоящейся частицы , т.е.

Проведем следующие построения (См. рисунок). Отложим отрезок  . Из точки отложим отрезок . Тогда очевидно, что отрезок  будет представлять собой импульс налетающей частицы до столкновения: . Из точки  проведем окружность радиусом . Точка  будет лежать на этой окружности, а точка  будет находиться внутри круга, т.к. при  . Заметим, что отрезок , т.е. одновременно представляет собой импульс налетающей частицы в Ц - системе.

Рассмотрим на окружности произвольную точку . Отрезок  можно рассматривать как импульс первой частицы после столкновения в Ц - системе: , т.к. . Следовательно, угол  есть угол поворота первой частицы в Ц – системе. Тогда отрезок  есть импульс первой частицы после столкновения в Л – системе: .

Одновременно,  есть импульс второй частицы после столкновения в Л – системе: . Т.о. на одной векторной диаграмме удается одновременно представить векторы импульсов частиц до и после столкновений как в Л – системе, так и в Ц – системе. Именно это обстоятельство делает векторные импульсные диаграммы исключительно наглядными и позволяет установить из них связь между различными величинами в Л – и в Ц – системах. Например, из диаграммы сразу видно, что угол отклонения  первой частицы в Л – системе может изменяться во всем интервале , а угол отклонения  второй частицы в Л – системе может изменяться в интервале . Видно, что , когда , что имеет место при . При этом частицы разлетаются в разные стороны вдоль одной прямой: , а . Это соответствует "лобовому" столкновению частиц. При , . При этом , а . Это соответствует отсутствию столкновения частиц.

Установим связь между углами отклонения частиц  и  в Л – системе и углом поворота  в Ц – системе. Углы  и  представляют собой углы отклонения частиц после столкновения по отношению к направлению удара, т.е. по отношению к вектору налетающей частицы , т.е. по отношению к отрезку  на рисунке.

Сначала установим связь между углами  и .  Поскольку треугольник  равнобедренный, то . Отсюда сразу получаем, что

      (8)

Теперь установим связь между углами  и .  Из рисунка следуют соотношения:

Поскольку , а , то получаем

.

Эту формулу обычно записывают в виде:

   (9)

Угол , т.к. точка  лежит внутри круга. Поскольку , то при  угол разлета частиц   и  после столкновения меньше чем :

,             (10)

Рассмотрим случай "лобового" удара. Из диаграммы 1 видно, что в этом случае налетающая частица  полетит в сторону, противоположную её начальному направлению движения: . Точка  будет находиться на одном диаметре окружности слева от точки . Т.е. при "лобовом" столкновении . Поэтому

,     т.е.       ,

т.е.

    (11)

Следовательно

   (12)

Для покоящейся частицы при "лобовом" ударе , т.е.

    (13)

Следовательно,

   (14)

Если частица  до столкновения покоилась, то наибольшую энергию, которую может потерять налетающая частица, будет равна энергии, приобретенной второй частицей именно после "лобового" столкновения:

  (15)

Используя формулу  (15) легко получаем:

(16)

Здесь  - первоначальная энергия налетающей частицы.

Рассмотрим случай, когда налетающая частица  тяжелее покоящейся частицы , т.е. . В этом случае построение векторной импульсной диаграммы производится аналогично тому, как это делалось выше для случая . Отличие будет состоять только в том, что теперь точка  будет лежать вне круга радиуса , т.к. длина отрезка  будет больше , поскольку  (рис.10.6).

Такое, казалось бы, не столь большое отличие, приводит, однако, к существенному изменению результата взаимодействия частиц, по сравнению с рассмотренным выше случаем . В то время, как при  скорость первой частицы после столкновения могла иметь любое направление , теперь угол отклонения налетающей частицы  не может превышать некоторого максимального значения , так, что при  величина  может изменяться в пределах: . Значение угла  может легко определено из векторной диаграммы 2. Максимальному отклонению первой частицы в Л – системе соответствует такое положение точки , при котором прямая AС касается окружности в точке E.

Поскольку треугольник AEO – прямоугольный, то .

Поскольку , а , то сразу получаем, что

     (17)

Значению угла  соответствует угол поворота в Ц – системе , так, что .

обсудим значение угла разлета. Теперь угол , т.к. точка  лежит вне круга. Поскольку , то при  угол разлета частиц   и  после столкновения больше чем :

,             (18)

Кроме того, как это видно из диаграммы 2, одному и тому же значению угла  будет соответствовать два различных значения угла  в Ц – системе, т.к. прямая AC пересекает окружность в двух точках. Но это означает, что одному и тому же углу отклонения   будет соответствовать две различные пары значений импульсов  и . Кроме того, одному и тому же углу отклонения   будет соответствовать два различных значения угла .

Пусть теперь налетающая и покоящаяся частицы имеют одинаковую массу, т.е. , так, что . В этом случае векторная диаграмма имеет наиболее простой вид, т.к. отрезки  и  оказываются равными. Поэтому точки  и  будут лежать на противоположных концах диаметра (рис.3). B этом случае треугольник  является равнобедренным. Поэтому . Следовательно, в случае частиц  равных масс получаем:

;              ;                     (19)

Формула (19) для угла  получается конечно из общей формулы, если в ней положить :

Одинаковые частицы всегда разлетаются под прямым углом друг к другу. Это видно как из диаграммы 3, так и непосредственно из формул (19):

      (20)

4


O

A

B

Рис. 3. Импульсная диаграмма столкновения  частиц для случая .

Рис.2. Импульсная диаграмма столкновения  частиц для случая .

D

Рис. 1  Импульсная диаграмма столкновения

      частиц для случая .

C

B

O

D

A

E

n0

C

B

O

D

A

n0


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

7467. Метрологическое обеспечение на этапах жизненного цикла продукции 36.5 KB
  Тема 1.1 Метрологическое обеспечение на этапах жизненного цикла продукции Студент должен иметь представление: - о роли и значении метрологического обеспечения в управление качеством продукции - об отражении треб...
7468. Метрологическая экспертиза технической документации 51.5 KB
  Тема 1.2 Метрологическая экспертиза технической документации Студент должен иметь представление: - о необходимости метрологической экспертизы технической документации знать: - порядок метрологической экспертизы т...
7469. Метрологическое обеспечение технологического процесса изготовления продукции 71 KB
  Тема 1.3 Метрологическое обеспечение технологического процесса изготовления продукции Студент должен иметь представление: - о необходимости метрологического обеспечения средств измерений, обеспечивающих стабильность технологическо...
7470. Рулевое управление ВАЗ 2121 62 KB
  Рулевое управление ВАЗ 2121 Рис. Рулевое управление. 1. Боковая тяга 2. Сошка 3. Средняя тяга 4. Маятниковый рычаг 5. Регулировочная муфта 6. Нижний шаровой шарнир подвески 7. Поворотный кулак 8. Верхний шаровой шарнир подвески 9. Подшипник ...
7471. Исследование напряженно-деформированного состояния элементов составных балок 9.79 MB
  Исследование напряженно-деформированного состояния элементов составных балок Введение Балки являются одним из самых употребляемых строительных элементов любых зданий и сооружений. По своей статической схеме балки представляют конструкцию, как правил...
7472. Исследование электромеханических свойств двигателя постоянного тока последовательного возбуждения 108.09 KB
  Исследование электромеханических свойств двигателя постоянного тока последовательного возбуждения. Цель работы: Исследовать способы регулирования скорости вращения и реверсирования якоря двигателя, построить рабочие характеристики двигателя. Пояснен...
7473. Снятие кривой нагрева электродвигателя и определение постоянной времени нагрева 63.24 KB
  Снятие кривой нагрева электродвигателя и определение постоянной времени нагрева. Цель работы: Изучить процесс нагрева двигателя, получить опытным путем данные построения кривой нагрева электродвигателя и определить значение постоянной времени нагрев...
7474. Исследование трехфазного асинхронного двигателя 55.54 KB
  Исследование трехфазного асинхронного двигателя Цель работы: Экспериментально снять механическую характеристику трехфазного асинхронного двигателя и осуществить его реверс. Пояснения к работе: Для выполнения данной работы используют трехфазный асинх...
7475. Предпринимательство в России на современном этапе его развития 149 KB
  Введение Рыночная экономика предполагает становление и развитие предприятий различных организационно-правовых форм, основанных на разных видах частной собственности, появление новых собственников - как отдельных граждан, так и трудовых коллекти...