高考经典物理模型：人船模型

人船模型之一

“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。

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ν和u，则由动量守恒定律得：

m v=Mu

由于人在走动过程中任意时刻人和船的速度ν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u

ν和也应满足相似的关系，即

mν=M u

而x t

ν=，

y

u

t

=，所以上式可以转化为：

mx=My

又有，x+y=L,得：

M

x L

m M

=

+

m

y L

m M

=

+

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1

4

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

m

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”。

3、“人船模型”的应用

①“等效思想” 如图所示，长为L 质量为M

别站立质量为m 1、m 2（m 1>m 2）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

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12()m m m m ∆∆=-的人在质量为2'2M M m =+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：

'mx M y ∆=

x y L +=

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 1 m 2 M

x y L

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v 1和v 2，根据系统在水平方向动量守恒，得：12mv Mv = 又由系统机械能守恒得：22121122

mgR mv Mv =+

解得：1v =

2v =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：

mx My =

2x y R += 解得：2M x R m M =+，2m y R m M

=+ 即振幅A 为：2m A R m M =

+