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”。

m2
 
m1
 
L
 
3、“人船模型”的应用

M
 
①“等效思想”

  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?

y
 
x
 
分析:将两人和船看成系统,系统水平方向总动量守恒。本题可以理解为是人先后移动,但本题又可等效成质量为的人在质量为的船上走,这样就又变成标准的“人船模型”。

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:

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

m
 
如图所示,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的光滑半圆形轨道,现把质量为m的小球自轨道左测最高点静止释放,试计算: 1.摆球运动到最低点时,小球与轨道的速度是多少? 2.轨道的振幅是多大? 

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:

解得:

即振幅A为:

例4. 用轻弹簧相连的质量均为2kg的A、B两物块都以的速度在光滑的水平地面上运动,弹簧处于原长,质量为4kg的物体C静止在前方,如图3所示,B与C碰撞后二者粘在一起运动。求:在以后的运动中,

图3

(1)当弹簧的弹性势能最大时物体A的速度多大?

(2)弹性势能的最大值是多大?

(3)A的速度有可能向左吗?为什么?

解析:(1)当A、B、C三者的速度相等时弹簧的弹性势能最大,由于A、B、C三者组成的系统动量守恒,有

解得:

(2)B、C碰撞时B、C组成的系统动量守恒,设碰后瞬间B、C两者速度为,则

设物块A速度为vA时弹簧的弹性势能最大为EP,根据能量守恒

(3)由系统动量守恒得

设A的速度方向向左,,则

则作用后A、B、C动能之和

实际上系统的机械能

根据能量守恒定律,是不可能的。故A不可能向左运动。

[模型要点]

系统动量守恒,如果弹簧被作为系统内的一个物体时,弹簧的弹力对系统内物体做不做功都不影响系统的机械能。能量守恒,动能与势能相互转化。

弹簧两端均有物体:弹簧伸长到最长或压缩到最短时,相关联物体的速度一定相等,弹簧具有最大的弹性势能。

当弹簧恢复原长时,相互关联物体的速度相差最大,弹簧对关联物体的作用力为零。若物体再受阻力时,弹力与阻力相等时,物体速度最大。

[模型演练]

(2006年江苏省前黄高级中学检测题)如图4所示,在光滑水平长直轨道上,A、B两小球之间有一处于原长的轻质弹簧,弹簧右端与B球连接,左端与A球接触但不粘连,已知,开始时A、B均静止。在A球的左边有一质量为的小球C以初速度向右运动,与A球碰撞后粘连在一起,成为一个复合球D,碰撞时间极短,接着逐渐压缩弹簧并使B球运动,经过一段时间后,D球与弹簧分离(弹簧始终处于弹性限度内)。

图4

(1)上述过程中,弹簧的最大弹性势能是多少?

(2)当弹簧恢复原长时B球速度是多大?

(3)若开始时在B球右侧某位置固定一块挡板(图中未画出),在D球与弹簧分离前使B球与挡板发生碰撞,并在碰后立即将挡板撤走,设B球与挡板碰撞时间极短,碰后B球速度大小不变,但方向相反,试求出此后弹簧的弹性势能最大值的范围。

答案:(1)设C与A相碰后速度为v1,三个球共同速度为v2时,弹簧的弹性势能最大,由动量守恒,能量守恒有:

(2)设弹簧恢复原长时,D球速度为,B球速度为

则有

(3)设B球与挡板相碰前瞬间D、B两球速度

与挡板碰后弹性势能最大,D、B两球速度相等,设为

时,最大

时,最小,

所以

 0  138047  138055  138061  138065  138071  138073  138077  138083  138085  138091  138097  138101  138103  138107  138113  138115  138121  138125  138127  138131  138133  138137  138139  138141  138142  138143  138145  138146  138147  138149  138151  138155  138157  138161  138163  138167  138173  138175  138181  138185  138187  138191  138197  138203  138205  138211  138215  138217  138223  138227  138233  138241  447348 

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