如图所示,斜面体固定在水平面上,斜面光滑,倾角为θ,斜面底端固定有与斜面垂直的挡板,木板下端离地面高H,上端放着一个细物块.木板和物块的质量均为m,相互间最大静摩擦力等于滑动摩擦力kmgsinθ(k>1),断开轻绳,木板和物块沿斜面下滑.假设木板足够长,与挡板发生碰撞时,时间极短,无动能损失,空气阻力不计.求:
(1)木板第一次与挡板碰撞弹起上升过程中,物块的加速度;
(2)从断开轻绳到木板与挡板第二次碰撞的瞬间,木板运动的路程s;
(3)从断开轻绳到木板和物块都静止,摩擦力对木板及物块做的总功W.
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(1)、木板第一次上升过程中,对物块受力分析,受到竖直向下的重力、垂直于斜面的支持力和沿斜面向上的摩擦力作用,设物块的加速度为a物块,
则物块受合力 F物块=kmgsinθ-mgsinθ…①
由牛顿第二定律 F物块=ma物块…②.
联立①②得:a物块=(k-1)gsinθ,方向沿斜面向上.
(2)设以地面为零势能面,木板第一次与挡板碰撞时的速度大小为v1,由机械能守恒有:
×2m1 2
=2mgHv 21
解得:v1=
.2gH
设木板弹起后的加速度a板,由牛顿第二定律有:
a板=-(k+1)gsinθ
S板第一次弹起的最大路程:
S1=- v 21 2a板
解得:S1=H (k+1)sinθ
木板运动的路程S=
+2S1=H sinθ (k+3)H (k+1)sinθ
(3)设物块相对木板滑动距离为L
根据能量守恒有:
mgH+mg(H+Lsinθ)=kmgsinθL
摩擦力对木板及物块做的总功为:
W=-kmgsinθL
联立以上两式解得:
W=-
,负号说明摩擦力对木板及物块做负功.2kmgH k-1
答:(1)木板第一次与挡板碰撞弹起上升过程中,物块的加速度为(k-1)gsinθ;
(2)从断开轻绳到木板与挡板第二次碰撞的瞬间,木板运动的路程为
;(k+3)H (k+1)sinθ
(3)从断开轻绳到木板和物块都静止,摩擦力对木板及物块做的总功为
.2kmgH k-1