如图所示,水平支持面上静止叠放长方体物块A和B,A的长度为L=2m、高度h=0.8m,B的大小可以忽略,并置于A的左端.在距离A的右端一定距离(用S表示)的地方固定另一个长方体物体C,它的高度为A高的四分之三、长度为A长的五分之一.现对A作用一个水平恒力F,使A、B一起向C运动.已知A、B之间的最大静摩擦力为fm=25N,A、B以及A与地面间的动摩擦因数均为μ=0.4,A、B的质量分别为mA=10kg、mB=5kg.如果A在运动过程中与C发生碰撞,它将在碰撞后立即停止运动.
(1)为了保证B物体能在A、C发生碰撞后离开A的上表面,应使A、C之间的距离S至少多大?
(2)现使S等于(1)中所求值的两倍,为了保证B物体在A碰到C后能够不碰到C而直接落于水平支持面,求恒力F的最短作用时间;
(3)在S等于(1)中所求值两倍的条件下,计算B物体平抛运动中水平支持面上落点离A右端距离的范围.
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(1)以B为研究对象,在从开始运动到A滑到B的右端过程中,
由动能定理得:fmS-μmBgL=
mBv2-0,1 2
B要离开A的上表面,v≥0,解得:s≥1.6m,
则A、C间的最小距离是1.6m;
(2)B离开A后做平抛运动,
在水平方向:L1=
=v1t1,L 5
在竖直方向:h1=h-
h=3 4
gt12,1 2
设A、B一起运动的位移是x,
对由动能定理得:fmx-μmBg(2s+L-x)=
m1v2-0,1 2
对A由牛顿第二定律得:fm=mAamax,x=
amaxt2min1 2
解得:tmin=
s;3 2 5
(3)B离开A后做平抛运动,
在竖直方向:h=
gt2,1 2
在水平方向上:xmax=vmaxt,xmin=vmint,
对B由动能定理得:2fms-μmgL=
mvmax2-0,1 2
由(2)可知,vmin=v=2m/s,
解得:xmax=1.6m,xmin=0.8m;
答:(1)A、C间的距离应为1.6m;
(2)恒力作用的最短时间为
s;3 2 5
(3)B物体平抛运动中水平支持面上落点离A右端距离的范围是0.8m≤x≤1.6m.