问题 问答题

如图所示,为一个实验室模拟货物传送的装置,A是一个表面绝缘质量为1kg的小车,小车置于光滑的水平面上,在小车左端放置一质量为0.1kg带电量为q=1×10-2C的绝缘货柜,现将一质量为0.9kg的货物放在货柜内.在传送途中有一水平电场,可以通过开关控制其有、无及方向.先产生一个方向水平向右,大小E1=3×102N/m的电场,小车和货柜开始运动,作用时间2s后,改变电场,电场大小变为E2=1×102N/m,方向向左,电场作用一段时间后,关闭电场,小车正好到达目的地,货物到达小车的最右端,且小车和货物的速度恰好为零.已知货柜与小车间的动摩擦因数μ=0.1,(小车不带电,货柜及货物体积大小不计,g取10m/s2)求:

(1)第二次电场作用的时间;

(2)小车的长度;

(3)小车右端到达目的地的距离.

答案

(1)根据牛顿第二定律得:货物的加速度a1=

F1-f
m1+m0
=
3-μ(m1+m0)g
m1+m0
=
3-0.1×1×10
1
=2m/s2

小车的加速度为:a2=

f′
M
=1m/s2

经t1=2s  货物运动s1=

1
2
a1t12=4m  

小车运动s1=

1
2
a2t12=2m

货物V1=a1t1=2×2=4m/s  向右

小车V2=a2t1=1×2=2m/s   向右

经2秒后,货物作匀减速运动a′1=

qE2+f
m1+m0
=
1+1
1
=2m/s2 向左

小车加速度不变,仍为a2=1m/s2向右,当两者速度相等时,货柜恰好到达小车最右端,以后因为qE2=f=μ(m0+m1)g,货柜和小车一起作为整体向右以a3=

qE2
m1+m0+m
=
1
2
=0.5m/s2,向右作匀减速直到速度都为0.

共同速度为V=V1-a1′t2    

V=V2+a2′t2

t2=

2
3
s

V=

8
3
m/s

货物和小车获得共同速度至停止运动用时间t3=

0-
8
3
-0.5
=
16
3

第二次电场作用时间为t=t2+t3=6s

(2)小车在t2时间内位移S3=V2t2+

1
2
a2t22=
14
9
m

货柜在t2时间内位移为S4=V1t2-

1
2
a1′t22=
20
9
m

小车长度L=S1-S2+S4-S3=

24
9
m

(3)小车右端到达目的地的距离为S

s=s2+s3+

0-v2
2a3
=
32
3
=10.7m

答:(1)第二次电场作用的时间为6s;

(2)小车的长度为

24
9
m;

(3)小车右端到达目的地的距离为10.7m.

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