题目内容

4.如图所示,两个完全相同的质量为m的光滑小球放在一个正方体的箱子内,静止时,箱子的顶部与球恰好接触但不挤压,并且两个小球的球心连线恰好与面对角线平行,已知重力加速度为g,求:
(1)箱子静止时右壁受到的压力大小;
(2)箱子以加速度$\frac{g}{2}$水平向左加速运动时左壁受到的压力大小;
(3)箱子以加速度2g水平向左加速运动时底部对B小球的支持力大小.

分析 (1)静止时两个小球处于平衡状态,由共点力平衡的条件结合对A的受力分析即可求出;
(2)箱子以加速度$\frac{g}{2}$水平向左加速运动时,对A进行受力分析,并建立水平方向与竖直方向的平面直角坐标系,然后将各个力分解到坐标系上,然后结合牛顿第二定律即可求出;
(3)箱子以加速度2g水平向左加速运动时,先对A进行受力分析,结合牛顿第二定律求出A、B之间的作用力,然后再对B进行受力分析即可求出底部对B小球的支持力大小.

解答 解:
(1)静止时,A小球的受力如图所示θ
由几何关系可知θ=45°;${F_A}=\frac{mg}{tanθ}=mg$
以两个小球整体研究,可知箱子右壁对B小球的弹力为  FB=FA=mg
根据牛顿第三定律可知箱子右壁受到的压力FB′=FB=mg
(2)当箱子有水平向左的加速度a时,小球A受力如图所示
根据牛顿第二定律
水平方向:N2cosθ-FA1=ma
竖直方向:N2sinθ=mg
可知当a增大时,FA1将减小,当FA1减小至零时,$a=\frac{g}{tanθ}=g$
即当向左的加速度a≥g时,箱子左壁不受挤压
将$a=\frac{g}{2}$代入上式可解得此时左壁对A小球的作用力为${F_{A1}}=\frac{mg}{2}$
根据牛顿第三定律,可得此时A小球对左壁的压力${F}_{A1}′={F}_{A1}=\frac{mg}{2}$
(3)由(2)问分析可知,当a=2g时将会受到箱子顶部给它向下的压力,此时A小球的受力如图所示
根据牛顿第二定律
水平方向:N3cosθ=ma=2mg
竖直方向:N3sinθ=mg+F
可解得:F=mg
以两个小球整体研究可知底部对B小球的支持力N=mg+mg+F
解得:N=3mg
答:(1)箱子静止时右壁受到的压力大小是mg;
(2)箱子以加速度$\frac{g}{2}$水平向左加速运动时左壁受到的压力大小$\frac{1}{2}mg$;
(3)箱子以加速度2g水平向左加速运动时底部对B小球的支持力大小是3mg.

点评 该题同时考查共点力的平衡与牛顿第二定律的应用,关键是合理选择研究对象,并结合牛顿第二定律并采用正交分解法分析,不难.

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