题目内容

9.如图所示,质量m=1kg的物块A放在质量M=4kg木板B的左端,起初A、B静止在水平地面上,现用一水平向左的力F作用在木板B上,已知AB之间的动摩擦因数为μ1=0.4,地面与B之间的动摩擦因数为μ2=0.1,假设最大静摩擦力等于滑动摩擦力,g=10m/s2.求:
(1)能使AB发生相对滑动的F的最小值;
(2)若F=30N,作用1s后撤去,要想A不从B上滑落,则木板至少多长,从开始到AB均静止,A的总位移是多少?

分析 (1)当AB保持相对静止时,两者具有相同的加速度,此时A、B间的摩擦力达到最大静摩擦力,分别对A和整体利用牛顿第二定律求出F的最小值.
(2)根据牛顿第二定律,运用整体法和隔离法判断撤去拉力后,A、B能否保持相对静止,再分别对A、B运用牛顿第二定律和运动学公式,求出A不从B上滑落时木板至少的长度以及从开始到AB均静止A的总位移.

解答 解:(1)当AB保持相对静止时,两者具有相同的加速度,此时A、B间的摩擦力达到最大静摩擦力,物体相对静止.
对于A由牛顿第二定律得 μ1mg=am  
代入数据解得 ${a}_{m}=4m/{s}^{2}$
对AB整体由牛顿第二定律得 Fmin-μ2(M+m)g=(M+m)am  
代入数据解得  Fmin=25N
(2)设F作用在B上时,A、B的加速度分别为a1、a2,撤掉F时速度分别为v1、v2,撤去外力F后加速度分别为${a}_{1}^{′}$、${a}_{2}^{′}$.AB共同运动时速度为v3,加速度为a2,AB都做匀加速直线运动.
对A由牛顿第二定律可得μ1mg=ma1   
代入数据解得 ${a}_{1}=4m/{s}^{2}$   
由速度公式得 v1=a1t1=4m/s
对B分析由牛顿第二定律得   F-μ1mg-μ2(M+m)g=Ma2  
代入数据解得 ${a}_{2}=5.25m/{s}^{2}$  
由速度公式得  v2=a2t1=5.25m/s
撤去外力后:${a}_{1}^{′}={a}_{1}=4m/{s}^{2}$   ${a}_{2}^{′}=\frac{{μ}_{1}mg+{μ}_{2}(M+m)g}{M}=2.25m/{s}^{2}$
经过t2时间后AB速度相等 ${v}_{1}+{a}_{1}^{′}{t}_{2}={v}_{2}-{a}_{2}^{′}{t}_{2}$ 
代入数据解得t2=0.2s
则共同速度${v}_{3}={v}_{1}+{a}_{1}^{′}{t}_{2}=4.8m/{s}^{2}$
从开始到AB相对静止.AB的相对位移即为木板最短的长度L
$L={x}_{B}-{x}_{A}=\frac{{v}_{2}^{2}}{2{a}_{2}}+\frac{{v}_{3}^{2}-{v}_{2}^{2}}{2{a}_{2}^{′2}}-\frac{1}{2}{a}_{1}({t}_{1}+{t}_{2})^{2}=0.75m$
AB速度相等后共同在水平面上匀减速运动,加速度${a}_{3}={μ}_{2}g=1m/{s}^{2}$
从v3至最终静止位移为$x=\frac{{v}_{3}^{2}}{2{a}^{2}}=11.52m$
所以A得总位移为 xA总=xA+x=14.4m
答:(1)能使AB发生相对滑动的F的最小值为25N.
(2)若F=30N,作用1s后撤去,要想A不从B上滑落,则木板至少0.75m,从开始到AB均静止,A的总位移是14.4m.

点评 本题属于牛顿运动定律中的典型模型“板块模型”,可以结合牛顿第二定律和运动学公式综合求解,.解决本题的关键能够正确地受力分析,运用牛顿第二定律进行求解,注意物体和木板相对滑动到相对静止的临界状态和整体法、隔离法的运用.

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