NuSEP系统在高中物理教学中的应用(十一)“人船模型”的拓展

一、实验目的

1.通过仿真实验，观察并验证系统在水平方向不受外力（或合外力为零）时，水平方向动量守恒的过程；

2.理解人船模型及其拓展（滑环—小球模型）中位移与质量的反比关系。

二、实验过程

NuSEP网址：

http://nusep.phys.tsinghua.edu.cn/

仿真实验→ 力学→ 中学牛顿力学模块化实验室。

1. 小球从1/4圆弧顶端由静止滑下

1）设置模块参数

首先从模块库中选择“圆管道”，在右侧参数栏内修改相关参数：半径R=1m,起始角为90°，圆心角90°，圆槽内动摩擦因数为0，勾选“对地可移动”，圆槽质量为1kg，槽-地动摩擦因数为0。

接下来选中界面中的小球，在右侧参数栏内修改相关参数：质量m=1kg，初始位置x坐标为圆槽B点的x坐标加小球半径，y坐标与圆槽B点的y坐标相同，其余为默认参数。

2）进行实验

点击“开始”，对比小球与圆槽的水平位移。

改变小球的质量，再次进行实验。

将圆管道的起始角改为0°，圆心角改为180°，再次进行实验。

2. 小球通过绳子与滑环连接

1）设置模块参数

首先从模块库中选择“轻杆”，在右边参数栏内设置参数：长度3m，勾选“启用滑块约束”，同时选择滑块对象为“运动物体”。将小球1放在杆上合适的位置。

接下来从模块库中选择“轻绳”，同时添加运动物体2,即小球2，在右侧参数栏内设置参数：长度1m，旋转角度0°，端点A类型选择“运动物体”，连接对象选择“运动物体”（小球1），端点B类型选择“运动物体”，连接对象选择“运动物体#2”（小球2），两小球质量均为0.5kg。

2）进行实验

点击“开始”，观察两小球的运动情况，点击界面下方“展开图表”，可查看两小球的水平速度随时间变化的图像。

将小球2的质量改为1kg，再次进行实验。

三、实验结论

只要系统在水平方向所受合外力为零，无论内部通过圆弧、轻绳还是其他方式相互作用，水平方向动量都守恒；初动量为零时，各物体水平位移与质量成反比。