词条 | 人船模型 |
释义 | 原理“人船模型”,不仅是动量守恒问题中典型的物理模型,也是最重要的力学综合模型之一.对“人船模型”及其典型变形的研究,将直接影响着力学过程的发生,发展和变化,在将直接影响着力学过程的分析思路,通过类比和等效方法,可以使许多动量守恒问题的分析思路和解答步骤变得极为简捷。 条件模型应用的条件:一个原来处于静止状态的系统,当系统中的物体间发生相对运动的过程中,有一个方向上动量守恒. 应用实例1、“人船模型” 质量为M的船停在静止的水面上,船长为L,一质量为m的人,由船头走到船尾,若不计水的阻力,则整个过程人和船相对于水面移动 的距离? 分析:“人船模型”是由人和船两个物体构成的系统;该系统在人和船相互作用下各自运动,运动过程中该系统所受到的合外力为零;即人和船组成的系统在运动过程中总动量守恒。 解答:设人在运动过程中,人和船相对于水面的速度分别为v和u,则由动量守恒定律得: mv=Mu 由于人在走动过程中任意时刻人和船的速度v和u均满足上述关系,所以运动过程中,人和船平均速度大小 也应满足相似的关系,即 mv=Mu 而v=x/t,u=y/t,所以上式可以转化为: mx=My 又有,x+y=L,得:x=L,y=L 以上就是典型的“人船模型”,说明人和船相对于水面的位移只与人和船的质量有关,与运动情况无关。该模型适用的条件:一个原来处于静止状态的系统,且在系统发生相对运动的过程中,至少有一个方向(如水平方向或者竖直方向)动量守恒。 2、“人船模型”的变形 变形1:质量为M的气球下挂着长为L的绳梯,一质量为m的人站在绳梯的下端,人和气球静止在空中,现人从绳梯的下端往上爬到顶端时,人和气球相对于地面移动的距离? 分析:由于开始人和气球组成的系统静止在空中,竖直方向系统所受外力之和为零,即系统竖直方向系统总动量守恒。得: mx=My x+y=L 这与“人船模型”的结果一样。 变形2:如图所示,质量为M的 圆弧轨道静止于光滑水平面上,轨道半径为R,今把质量为m的小球自轨道左测最高处静止释放,小球滑至最低点时,求小球和轨道相对于地面各自滑行的距离? 分析:设小球和轨道相对于地面各自滑行的距离为x和y,将小球和轨道看成系统,该 系统在水平方向总动量守恒,由动量守恒定律得: mx=My x+y=L 这又是一个“人船模型”。 (1) 关于“人船模型” 典型的力学过程通常是典型的模型所参与和经历的,而参与和经历力学过程的模型所具备的特征,将直接影响着力学过程的发生,发展和变化,在将直接影响着力学过程的分析思路,在下列力学问题中我们将面临着一个典型的“人船模型”。 问题:如图—1所示,质量为M的小船长L,静止于水面,质量为m的人从船左端走到船右端,不计水对船的运动阻力,则这过程中船将移动多远? 分析思路: 1.分析“人船模型”运动过程中的受力特征,进而判断其动量守恒,得: mυ=Mu 2.在上式两端同乘以时间,就可得到人,船相对于地面移动的距离S1和S2的关系为: mS1=MS2 3.考虑到人、船相对运动通过的距离为L,于是得: S1+S2=L 4由此即可解得人、船相对于地面移动的距离分别为 : S人=ML/(M+m) S船=mL/(M+M) 人船模型”的几种变例 ①把“人船模型”变为“人车模型”。 变例1:如图—2所示,质量为M,长为L的平板小车静止于光滑水平面上,质量为m的人从车左端走到车右端的过程中,车将后退多远? 解答:变例1中的“人车模型”与“人船模型”本质相同,于是直接得: S2= L ②把水平方向的问题变为竖直方向。 变例2:如图—3所示,总质量为M的足球下端悬着质量为m的人而静止于高度为h的空中,欲使人能完全沿强着地,人下方的强至少应为多长? 解答:变例2中的h实际上是人相对于地的位移S1,而绳长则是人与气球的相对位移L,于是有: h= L 可解得绳长至少为: L= h ③把直线运动问题变为曲线运动. 变例3:如图—4所示,质量为M的物体静止于光滑水平面上,其上有一个半径为R的光滑半球形凹面轨道,今把质量为m的小球自轨道右测与球心等高处静止释放,求M向右运动的最大距离。 解答:变例3中小球做的是复杂的曲线运动,但只考虑其水平分运动,其模型例与“人船模型”相同,而此时的相对位移大小为2R,于是物体M沿水平而向右移动的最大距离为: S2= ·2R ④把模型双方的质量比变为极端情况. 变例:如图—5所示,光滑水平杆上套有一个质量可忽略的小环,长L的强一端系在环上下,另一端连着质量为M的小球,今使小球与球等高且将绳拉直,当把小球由静止释放直到小球与环在同一竖直线上,试分析这一过程中小球沿水平方向的移动距离. 解答:变例4中环的质量取得某种极端的值: m→0 于是所求的小球沿水平方向移动的距离应为: S2= L→0 |
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