题目内容
如图所示,A是置于光滑水平面上的表面绝缘、质量m1=1 kg的小车,小车的左端放置有一个可视为质点的、质量m2=2 kg、电荷量q=+1×10-4 C的小物块B,距小车右端s=2 m处有一竖直的墙壁。小车所在空间有一个可以通过开关控制其有、无的水平向右的匀强电场,电场强度的大小为E=3×104N/C。若小车A和小物块B一起由静止开始运动,且在小车与墙壁碰撞的瞬间撤去电场;碰撞时间忽略不计,碰撞过程无机械能的损失;小物块B始终未到达小车A的右端,它们之问的动摩擦因数=0.2,最大静摩擦力等于滑动摩擦力。小车不带电,g取10 m/s2。求:
(1)有电场作用时小车A所受的摩擦力大小和方向?
(2)小车A第一次与墙壁相碰后向左运动的最远距离为多少?
(3)小车A第二次与墙壁相碰时的速度为多少?
(4)要使小物块B最终不滑离小车A,小车的长度至少多长?
(1)假设小车A与小物块B相对静止,以A、B整体为研究对象
由牛顿第二定律得qE=(m1+m2)a (1分)
解得a=1 m/s2 (1分)
再以小车A为研究对象,设它受到的静摩擦力为,A、B之间的最大静摩擦力为,
由牛顿第二定律得 (2分)
因<,故假设成立。小车A所受的摩擦力大小为1N,方向水平向右 (2分)
(2)设小车A和小物块B第一次与墙壁相碰前瞬间的速度为。
由运动学规律有 (1分)
解得 (1分)
小车A与墙壁相碰后瞬间速度大小不变,方向向左,小物块B速度不变。由于B的动
量大于A的动量,因此A向左做匀减速运动的速度减为零时,向左运动的距离最远,设这个距离为
由动能定理有 (1分)
解得 (2分)
(3)接着小车A又向右做初速度为零的匀加速运动,假设小车A和小物块B先达到共同速度后再与墙壁相碰,且设第二次与墙壁相碰前瞬间的速度为共
由动量守恒定律得 (2分)
解得 (1分)
设小车A由速度为零到达到共同速度所通过的距离为s2
由动能定理有 (1分)
解得,所以,假设成立 (1分)
(4)小车A与小物块B最终将停止在墙角处,设小车至少长L
由能量守恒定律得 (2分)
代入数据得L=1.5 m (2分)
解析:
略