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人船的动量守恒,如何求出 npy 的质量

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@mior2am2
此快照首次捕获于
2025/12/02 23:45
3 个月前
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2025/12/02 23:45
3 个月前
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好久没登洛谷。
可能有错,望指正(^∀^●)ノシ。

一人一船

如图,一个人,一个船,人质量为 mm,船质量为 MM,船长度为 LL,已知水面光滑不记阻力,人站在船左侧,TA 走到船右侧去,求人和船的对地位移,水平向右为正方向。
这是一个很简单的问题,我们观察到人船系统的合外力为零,所以系统的动量守恒,直接列方程即可。
{Δp=0mv1Mv2=Δp\begin{cases}\Delta p=0\\mv_1-Mv_2=\Delta p\end{cases}
我们得到 v1v2=Mm\frac{v_1}{v_2}=\frac{M}{m},则 v1Δtv2Δt=Mm\frac{v_1\Delta t}{v_2\Delta t}=\frac{M}{m},即 v1Δtv2Δt=s1s2=Mm\frac{\sum v_1\Delta t}{\sum v_2\Delta t}=\frac{s_1}{s_2}=\frac{M}{m}
{s1s2=Mms1+s2=L\begin{cases}\frac{s_1}{s_2}=\frac{M}{m}\\s_1+s_2=L\end{cases}
我们得到 {s1=MLM+ms2=mLM+m\begin{cases}s_1=\frac{ML}{M+m}\\s_2=\frac{mL}{M+m}\end{cases},由于向右为正方向,即 {x1=MLM+mx2=mLM+m\begin{cases}x_1=\frac{ML}{M+m}\\x_2=-\frac{mL}{M+m}\end{cases}

两人一船

还是刚刚那条船,这次左边站着小明,右边站着他的 npy 小 Y,小明询问小 Y 的体重,被小 Y 制裁了。但他还是想知道小 Y 的体重,遂想到一个办法。他让自己走到 npy 那一头,让小 Y 走到原来自己那一头。假设小明的眼睛就是尺,他知道自己的对地位移为 x1x_1,小 Y 的对地位移为 x2x_2,船的对地位移为 xx,已知小明质量为 m1m_1,船质量为 MM,船长度为 LL,求小 Y 质量 m2m_2,向右为正方向。
这时再次使用动量守恒将会把题目复杂化,我们可以使用一种更新的思路。
质心是质量中心的简称,指物质系统上被认为质量集中于此的一个假想点。与重心不同的是,质心不一定要在有重力场的系统中。值得注意的是,除非重力场是均匀的,否则同一物质系统的质心与重心通常不在同一假想点上。 ——百度百科
所以说,质点系的质心是质点系质量分布的平均位置。
这边给定一个关系:若一个系统合外力为零(满足动量守恒),若其系统初动量为零,则质心位置不会改变;若其系统初动量不为零,则质心位置会沿着运动方向匀速直线运动。若系统合外力不为零,因为牛顿第二定律提供的加速度是质心加速度,所以质心满足牛顿第二定律,做变速运动。
而对于该题,显然系统合外力为零,并且最开始时三个隔离体均无速度,初动量为零,那么这个系统的质心肯定不会改变。
对于该题,人和船只在一条线上运动,我们认为他们的运动是一维的。一维质心的坐标可以这样表示:
xC=rimimix_C=\frac{\sum r_im_i}{\sum m_i}
其中 rir_i 质点系中第 ii 个质点相对于某一固定点 OO 的矢径,mim_i 表示其质量。
因此我们得出质心坐标变化量为:
ΔxC=Δrimimi=0\Delta x_C=\frac{\sum\Delta r_im_i}{\sum m_i}=0
所以我们得到 Δrimi=0\sum\Delta r_im_i=0
将题目数据带入方程得到:
m1x1+m2x2+Mx=0m_1x_1+m_2x_2+Mx=0
求解得出 m2=m1x1+Mxx2m_2=-\frac{m_1x_1+Mx}{x_2},得到了小明 npy 的体重。

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