核心概念
物理学
碰撞
动量
能量
引言
你有没有想过，网球、保龄球和购物车相互碰撞都涉及到碰撞？令人着迷的是，仅仅几条物理规则就可以预测这些碰撞的结果。你可以通过一个有趣的自制玩具来亲自发现这些规则。在制作和玩耍本活动中的玩具后，你将更进一步了解当你击打网球或去打保龄球时会发生什么！
背景
你有没有听人说过某物“具有很大的动量”？在日常语言中，我们用“很大的动量”来描述难以阻止的事物。在物理学中，物体的动量取决于它的速度——它移动的速度有多快——以及它的质量——它由多少物质组成。动量也有方向——与物体移动的方向相同。为了使物体获得动量，它可以增加速度、增加质量或两者都增加。为了给下坡滚动的购物车增加更多动量，你可以使其移动更快（增加其速度）、装载更多重量（增加其质量）或两者都做。你可能凭直觉知道，动量最大的购物车——快速移动、重载的购物车——最难停止。当它与某物碰撞时，也会产生最大的冲击。
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物理学家发现物体在碰撞时会传递动量。但更重要的是，他们观察到总动量在碰撞过程中是守恒的。如果你见过一排购物车在快速移动但空载的购物车撞到它们后慢慢移开，你就见证了动量守恒。快速移动的轻型购物车将其动量传递给了重得多的购物车排。它的动量只能使这个沉重的质量移动一点点。当两个物体在碰撞前都在移动时，会涉及到更多数学知识，但即使如此，总动量始终是守恒的。
能量是在碰撞过程中传递的另一个量。更令人惊讶的是，与碰撞物体的运动相关的能量在碰撞中是守恒的，至少在碰撞物体完全没有变形、破裂或断裂的碰撞中是守恒的。在现实生活中，几乎总是存在一些变形，并且一些运动能量几乎总是会转化为其他类型的能量，例如热能或声能。本活动中创建的有趣玩具将帮助你直观地感受到动量和能量在碰撞过程中是如何守恒的。
材料
两个相同的球，直径二分之一英寸到三英寸（大的圆形木珠、乒乓球、小弹力球和圆形橡皮擦效果良好）
至少再一个质量不同的球（直径二分之一英寸到三英寸）（这个球需要至少是相同球的三倍重或三倍轻）
针和顶针或强力胶
粗线（最好不是麻线，而是稍粗的结实线）
剪刀
尺子
准备工作
将线剪成约 30 厘米长的片段（每个球一个）。
如果你使用珠子，将线穿过孔，并在线的末端打一个足够大的结，使珠子无法滑过它。
对于你使用的任何球，请成人帮助你将球挂在线上。请他们用穿线的针穿过球的中心。确保他们戴上顶针。如果需要，钳子可以帮助拉针穿过。在线的一端打一个结，使球不会掉落。如果这太难，可以使用强力胶将线粘在球上。
步骤
用拇指和手指捏住两个相同球（或珠子）的线，让球垂下来。上下滑动一个球的线，直到球处于水平位置。
将一个球向上拉起 90 度，保持其线绷紧，使其形成水平线。
保持握住线的手稳定，同时松开球，观察会发生什么。重复测试几次。几乎每次都发生什么？
对于第二个测试，执行相同的步骤，只是现在每次球彼此远离时，将握住线的手向上猛拉约一英寸，并在球彼此靠近时将手放回原位。你可能需要尝试几次才能保持球弹跳。这与第一个测试有何不同？为什么会这样？
你认为如果你用更重或更轻的球替换一个球会发生什么？
用拇指和手指捏住两个不同球的线。重复第一个测试。首先尝试释放较轻的球并观察，然后切换到较重的球。这与你使用相同球时观察到的情况有何相似之处和不同之处？
保持用手指捏住不同球的线，并尝试第二个测试。你现在观察到什么？你能解释你的观察结果吗？
你的预测正确吗？
要将你的测试变成玩具，首先选择你最喜欢的球组合。然后将离球最远的线端打结在一起。在拧紧结之前，调整结和球之间的距离，使它们相同。
额外内容：测试不同的球组合。我们可以从使用大小相同但质量不同的球的测试中学到什么？质量相等但大小不同的球呢？
额外内容：测试球的材料的作用。如果你使用两个木球而不是两个橡胶球或两个乒乓球，会发生什么？如果你保持手静止，哪些球弹跳时间最长？你必须猛拉哪些球才能保持它们弹跳？为什么会这样？
额外内容：如果你有更多相同的小球（例如弹珠），你可以进行另一个令人惊讶的碰撞测试。将一排球放在打开的书的折痕中。所有球都应相互接触。沿着折痕轻轻射出一个球到球排的末端，观察会发生什么。为什么会发生这种情况？如果你将两个球射入其他球，或者如果你将一个较重的球射入球排，情况会不同吗？
观察与结果
当你使用相同的球进行尝试时，你是否观察到球在碰撞过程中交换速度？你是否看到向上猛拉系统如何使球保持弹跳？当你使用不同的球进行尝试时，你是否注意到碰撞没有导致较重的球移动那么多，而较轻的球被高速发射出去？
当两个球碰撞时，它们会交换动量。对于相同的球，这意味着每次碰撞时，一个球都会以另一个球的速度发射出去。这解释了为什么最初静止的球在被另一个球撞击时会发射出去，而第一个球几乎静止不动。不久之后，被发射出去的球返回并撞击到第一个球，然后第一个球发射出去并返回，依此类推。
如果第二个球以相同的速度发射出去，那么该球应该向上射到你释放第一个球的相同高度。那是你观察到的吗？可能不是！每次碰撞时，一些能量会进入构成球的微小粒子或空气中的粒子。我们观察到这是运动能量转化为热能或声能。结果，第二个球以比撞击速度小的速度发射出去。差异取决于你球的材料。弹力球将显示出较小的差异；速度每次碰撞只会略微降低，并且球会来回弹跳很长时间。木球将具有更大的差异，并且仅来回弹跳几次，然后所有能量都转化为热能或声能。你是否注意到，当你在碰撞后立即向上猛拉系统时，球可以继续前进？通过这样做，你将能量添加回系统，使球能够保持弹跳。
不同的球也交换动量，但是如果它们的质量不同，则不仅仅是简单的速度交换。你是否注意到较轻的球的运动只能使较重的球稍微向上移动一点点？另一方面，当较重的球撞击较轻的球时，它的动量可以使较轻的球移动很多。这是因为相同的动量可以使较轻的球比重球移动得更快。
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