【24模型】人船模型分析

2021-02-18 高考物理

1、若系統在整個過程中任意兩時刻的總動量相等,則這一系統在全過程中的平均動量也必定守恆。在此類問題中,凡涉及位移問題時,我們常用「系統平均動量守恆」予以解決。如果系統是由兩個物體組成的,合外力為零,且相互作用前均靜止。相互作用後運動,則由0=m1+m2得推論0=m1s1+m2s2,但使用時要明確s1、s2必須是相對地面的位移

2、人船模型的應用條件是:兩個物體組成的系統(當有多個物體組成系統時,可以先轉化為兩個物體組成的系統)動量守恆,系統的合動量為零.

例1: 載人氣球原靜止於高h的空中,氣球質量為M,人的質量為m。若人要沿繩梯著地,則繩梯長至少是多少?

分析:

(1)當問題符合動量守恆定律的條件,而又僅涉及位移而不涉及速度時,通常可用平均動量求解.

(2)畫出反映位移關係的草圖,對求解此類題目會有很大的幫助.

(3)解此類題目,注意速度必須相對同一參照物.

解析:氣球和人原靜止於空中,說明系統所受合力為零,故人下滑過程中系統動量守恆,人著地時,繩梯至少應觸及地面,因為人下滑過程中,人和氣球任意時刻的動量大小都相等,所以整個過程中系統平均動量守恆.若設繩梯長為l,人沿繩梯滑至地面的時間為 t,由圖可看出,氣球對地移動的平均速度為(l-h)/t,人對地移動的平均速度為-h/t(以向上為正方向).由動量守恆定律,有

M(l-h)/t-m h/t=0.解得 l=h.   

答案:h

例2:在光滑水平面上有一質量為M的斜劈,斜劈斜面與水平面的夾角為,斜面長為L,斜劈的頂端有一質量為m的小球,當小球滑到斜劈的低端時,求斜劈後退的距離。

解析:小球和斜劈兩者組成的系統在水平方向上滿足動量守恆,斜劈斜面長在水平方向的投影

由上面的模型特點得斜劈後退的距離

例3:如圖所示,一質量為ml的半圓槽體A,A槽內外皆光滑,將A置於光滑水平面上,槽半徑為R.現有一質量為m2的光滑小球B由靜止沿槽頂滑下,設A和B均為彈性體,且不計空氣阻力,求槽體A向一側滑動的最大距離.

解析:系統在水平方向上動量守恆,當小球運動到槽的最右端時,槽向左運動的最大距離設為s1,

則m1s1=m2s2,

又因為s1+s2=2R,

所以

例4:某人在一隻靜止的小船上練習射擊,船、人連同槍(不包括子彈)及靶的總質量為M,槍內有n顆子彈,每顆子彈的質量為m,槍口到靶的距離為L,子彈水平射出槍口相對於地的速度為v0,在發射後一發子彈時,前一發子彈已射入靶中,在射完n顆子彈時,小船後退的距離為多少?

設n顆子彈發射的總時間為t,取n顆子彈為整體,由動量守恆得nmv0=Mv1,即nmv0t=Mv1t;

答案

設子彈相對於地面移動的距離為s1,小船後退的距離為s2,則有: s1=v0t, s2= v1t;且s1+s2=L

規律總結

人船模型的標誌

①初動量為零

②系統滿足動量守恆

③求某部分的位移

每日一題解析

如圖所示,長為l、質量為M的小船停在靜水中,一個質量為m的人站在船頭,若不計水的阻力,當人從船頭走到船尾的過程中,船和人對地面的位移各是多少?

解析:當人從船頭走到船尾的過程中,人和船組成的系統在水平方向上不受力的作用,故系統水平方向動量守恆,

設某時刻人對地的速度為v2,船對地的速度為v1,則mv2-Mv1=0,即v2/v1=M/m.

在人從船頭走到船尾的過程中每一時刻系統的動量均守恆,

故mv2t-Mv1t=0,

即ms2-Ms1=0,

而s1+s2=L

所以

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