1、人船模型及其应用
【例1】如图所示,长为l、质量为M的小船停在静水中,一个质量为m的人站在船头,若不计水的阻力,当人从船头走到船尾的过程中,船和人对地面的位移各是多少?
解析:当人从船头走到船尾的过程中,人和船组成的系统在水平方向上不受力的作用,故系统水平方向动量守恒,设某时刻人对地的速度为v2,船对地的速度为v1,则mv2-Mv1=0,即v2/v1=M/m.
在人从船头走到船尾的过程中每一时刻系统的动量均守恒,故mv2t-Mv1t=0,即ms2-Ms1=0,而s1+s2=L
所以
思考:(1)人的位移为什么不是船长?
(2)若开始时人船一起以某一速度匀速运动,则还满足s2/s1=M/m吗?
【例2】载人气球原静止于高h的高空,气球质量为M,人的质量为m.若人沿绳梯滑至地面,则绳梯至少为多长?
解析:气球和人原静止于空中,说明系统所受合力为零,故人下滑过程中系统动量守恒,人着地时,绳梯至少应触及地面,因为人下滑过程中,人和气球任意时刻的动量大小都相等,所以整个过程中系统平均动量守恒.若设绳梯长为l,人沿绳梯滑至地面的时间为 t,由图4—15可看出,气球对地移动的平均速度为(l-h)/t,人对地移动的平均速度为-h/t(以向上为正方向).由动量守恒定律,有
M(l-h)/t-m h/t=0.解得 l=h. 答案:h
说明:(1)当问题符合动量守恒定律的条件,而又仅涉及位移而不涉及速度时,通常可用平均动量求解.