2、“人船模型”的变形
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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?
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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”。
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如图所示,长为L质量为M的小船停在静水中,船头船尾分别站立质量为m1、m2(m1>m2)的两个人,那么,当两个人互换位置后,船在水平方向移动了多少?
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解答:人和船在水平方向移动的距离为x和y,由动量守恒定律可得:
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这样就可将原本很复杂的问题变得简化。
②“人船模型”和机械能守恒的结合
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分析:设小球球到达最低点时,小球与轨道的速度分别为v1和v2,根据系统在水平方向动量守恒,得:![]()
又由系统机械能守恒得:![]()
解得:
,![]()
当小球滑到右侧最高点时,轨道左移的距离最大,即振幅A。 由“人船模型”得:
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解得:
,![]()
即振幅A为:![]()
1、“人船模型”
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解答:设人在运动过程中,人和船相对于水面的速度分别为
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
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
m
=M![]()
而
,
,所以上式可以转化为:
mx=My
又有,x+y=L,得:
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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。