辨析题:静止在水平地面上的木箱,质量为50kg,若用F=400N的水平恒力推它,可以在5s内使它移动s=50m.若用大小仍为400N、而方向与水平方向夹角为37°斜向上的拉力拉木箱从静止开始运动,使木箱能够到达50m远处,则拉力的作用时间最少是多少?(cos37°=0.8)
某同学是这样解的:当拉力水平时:由运动学公式,有s=
at2即50=1 2
×a1×52①1 2
由牛顿第二定律:F-μmg=ma1即400-μ×50×10=50×a1 ②
当拉力斜向上时:设加速度大小为a2
在水平方向由牛顿第二定律:Fcos37°-μmg=ma2 ③
a2=
=Fcos37°-μmg m
=2.4m/s2400×0.8-0.4×50×10 50
再由运动学公式,s=
at2 ④1 2
解得拉力作用的最少时间:t=
=2S a2
≈6.45s2×50 2.4
(1)这位同学解法是否有不大合理的地方?(回答“有”还是“没有”?)
(2)若有不合理的地方,请你指出这位同学错误步骤对应的序号,并说明理由.
(3)若有不合理的地方,请用你自己的方法算出正确结果.
建立如图坐标系,在两种情况下对木箱进行受力分析有:木箱都受四个力作用:重力G、弹力FN、摩擦力f和推力F
由于木箱运动,故与地在间的摩擦力为滑动摩擦力,故其大小f=μFN,由于在竖直方向木箱受力平衡,故两种情况下地面对木箱的支持力FN不同,故摩擦力的大小也不一样.
但解题中的第4步,拉力向上拉木箱时,木箱受到的摩擦力f=μ(mg-Fsinθ)≠μmg,故计算有误.
故解法有误,错误在第④
(3)由题中①得a1=4m/s2
代入②得μ=0.4
∴木箱在斜向上拉力F作用下产生的加速度
a2=
=Fcosθ-μ(mg-Fsinθ) m
m/s2=4.32m/s2400×0.8-0.4×(50×10-400×0.6) 50
则拉力作用的时小时间对应拉力停止作用后,在摩擦力作用下木箱做匀减速直线运动,当速度减为0时,总位移刚好为50m.则木箱的位移分成两部分:
在拉力作用下以a2=4.32m/s2做初速度为0的匀加速直线运动经过时间t速度达到v;
在摩擦力f作用下做初速度为v,加速度大小为a3=
=f m
=μg=4m/s2做匀减速运动;μmg m
根据题意和匀减速直线运动的规律有:
加速的位移:v2 2a2
减速的位移:v2 2a3
又
+v2 2a2
=50v2 2a3
所以可以求得加速后的速度v=14.4m/s
则加速运动的时间t=
=v a2
s=3.33s14.4 4.32
答:(1)这位同学解法有不大合理的地方;
(2)错误序号为④,理由是滑动摩擦力的大小与正压力成正比,只有当正压力等于重力时才与重力成成正比,要注意判断正压力与重力的关系;
(3)斜向上的拉力作用的最少时间是3.33s.