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刻舟求鱼之实验验证 (配图)

已有 5332 次阅读 2016-12-16 16:41 |个人分类:物理|系统分类:教学心得

先来回顾一下这个有趣的问题。如下图,人跳起,人在空中期间,船往后退,但船后退时受到水的阻力,因此船会变慢;等人落下时,船的动量已经变小了,而人的动量还是原来的大小(忽略空气阻力),船又会往前走。



这个船往后退,然后向前并不奇怪。但令人惊奇的是,船会回到原来的位置。前面我写了刻舟求鱼(配图)》《刻舟求鱼之蛮力计算 (配图)》两篇博文。第一篇用相对巧妙的简单证明。


$\Delta p = -k \ v \Delta t = -k \ \Delta x$


由于人+船系统最初动量为零,最终动量也为零,动量变化为零,位置变化也就为零。也就是船回到原处。


后一篇文章则是进行了 brute force 的计算,但可能更清楚些,也再次证明了这一点。当然,这个结果依赖于船受到的水的阻力正比于速度这一个关系,在低速时这是比较好的近似。


那么实验怎么验证呢?如果真的到湖上弄条小船,这样跳,恐怕有危险,而且还不准确,微风吹来,波光粼粼,人这个腾空跳远动作也比较猛烈,造成 turbulence ,精确定位也很难。这一系列的不确定因素对我们的实验都是影响因素。因此,我们的实验应该是在人工的环境下,尽量排除干扰。为此,我设计了这个实验,如下图

water-boat.png

船弄个底部比较流线型的容器做模型就可以了。液体池需要比较大,避免边缘效应。船上顶部一个平台,一个重球用压缩弹簧弹出,滚到另一端,然后被抓获。测量的数据是船的位置随时间的变化。

根据我们的物理分析,船应该先往右边运动一段,然后向左,并且回到原来的位置。马红孺老师指出:【倘若把船给放到蜂蜜池中,这里的结果就非常精确了。】这是在说,粘滞系数大的液体,阻力与速度的线性关系更加可靠,因为粘滞系数小的液体惯性阻力在速度大时更重要,后者与速度平方成正比。所以,上面的实验可以在不同的液体进行。



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