问题 问答题

图甲中,质量为m的物块A叠放在质量为2m的足够长的木板B上方正中间,木板放在光滑的水平地面上,物块与木板之间的动摩擦因数为μ=0.2.在木板上施加一水平向右的拉力F,在0~3s内F的变化如图乙所示,图中F以mg为单位,重力加速度g=10m/s2.整个系统开始时静止.

(1)分别求出1s末、1.5s末和3s末物块A的速度以及木板B的速度;

(2)在同一坐标系中画出0~3s内木板B和物块A的v-t图象,据此求0~3s内物块相对于木板滑过的距离;

(3)3s末在木板上施加一水平向左的大小F=mg的拉力作用一定时间,使AB最终都能停止运动,求最终A静止在B上的位置.

答案

(1)m相对M即将滑动时加速度为am=μg=2m/s2

则F0=(m+2m)am=0.6mg,是AB相对滑动的临界条件.

在t1=1s时间内,F=mg>F0.设木板和物块的加速度分别为aA1和aB1

aA1=

f
m
=μg=2m/s2

aB1=

F-f
2m
=4m/s2

由公式v=at,解得1s末vA1=2m/s,vB1=4m/s

在t2=1.5s时间内,F=0.4mg,vB>vA,则依然存在相对滑动,

aA2=

f
m
=μg=2m/s2aB2=
F-f
2m
=1m/s2

由公式v=v0+at,解得得1.5s末vA2=3m/s,vB2=4.5m/s

在t>1.5s时间内,F=0,vB>vA,则依然存在相对滑动,aA3=

f
m
=μg=2m/s2,做加速运动.

aB3=

f
2m
=1m/s2,做减速运动.

设经过△t时间共速,

则vA2+aA3△t=vB2-aB3△t

代入数据得△t=0.5s,故2s末以后vA3=vB3=4m/s.

(2)由(1)问计算结果得到物块与木板运动的v-t图象,如图所示.在0~3s内物块相对于木板的距离△s等于木板和物块v-t图线下的面积之差,

即图中带阴影的四边形面积,该四边形由两个三角形组成,上面的三角形面积为0.25(m),下面的三角形面积为2(m),

因此物块木板△s=2.25 m.

(3)3s末vA=vB=4m/s,在木板上施加一水平向左的大小F=mg>F0的拉力后,AB匀减速运动,由-Ft=0-(m+2m)v

得需要作用t=1.2s,才能让AB最终停止运动.

aA=

f
m
=μg=2m/s2,减速,A停止用时tA=
vA
aA
=2s

sA=

vA2
2aA
=4m

aB=

F-f
2m
=4m/s2,减速,

t=1.2s时间内,vB'=vB-aBt=-0.8 m/s

t=1.2s末撤去外力F,aB′=

f
2m
=1m/s2,t′=0.8s停止运动.

sB=

1
2
(vB+vB′)t-
vB2
2aB
=1.6m

则△s'=4-1.6=2.4 m,

所以最终A静止在B上的离中间右方2.4-2.25=0.15m位置处.

答:(1)1s末、1.5s末和3s末物块A的速度分别为2m/s、3m/s、4m/s,B的速度分别为4m/s、4.5m/s、4m/s.

(2)图象如图所示,0~3s内物块相对于木板滑过的距离为2.25m.

(3)最终A静止在B上的位置为离中间右方0.15m位置处.

单项选择题
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