题目内容

17.光滑的水平面上有一足够长,质量M=8kg的小车,小车处于静止状态,如图所示,现在小车的左端施加一水平推力F=8N,当小车向右运动的速度达到v0=1.5m/s时,在小车的右端轻放上一个m=2kg的小物体(可视为质点).已知物块与小车间的动摩擦因数μ=0.2,取重力加速度g=10m/s2.
(1)从施加推力到两者刚达到相同的速度的过程中,小物块通过的位移大小x1;
(2)两者达到相同的速度后,在t=0.5s时间内的位移大小x2.

分析 (1)根据牛顿第二定律分别求出小物体和小车的加速度,结合速度时间公式求出速度相等的时间,再根据位移时间公式求出小物块通过的位移.
(2)根据牛顿第二定律,运用整体隔离法判断小物体和小车速度相等后不发生相对滑动,再结合位移公式求出速度相等后0.5s内的位移.

解答 解:(1)物块放上小车后的加速度${a}_{1}=\frac{μmg}{m}=μg=2m/{s}^{2}$,
小车的加速度${a}_{2}=\frac{F-μmg}{M}=\frac{8-0.2×20}{8}m/{s}^{2}$=0.5m/s2.
设经过t0时间两者速度相等,有:a1t0=v0+a2t0,
解得${t}_{0}=\frac{{v}_{0}}{{a}_{1}-{a}_{2}}=\frac{1.5}{2-0.5}s=1s$,
小物块通过的位移${x}_{1}=\frac{1}{2}{a}_{1}{{t}_{0}}^{2}=\frac{1}{2}×2×1m=1m$.
(2)假设两者速度相等后能够保持相对静止,
则整体的加速度a=$\frac{F}{M+m}=\frac{8}{8+2}m/{s}^{2}=0.8m/{s}^{2}$,
隔离对m分析,有f=ma=2×0.8N=1.6N<μmg=4N,可知假设成立.
相等的速度v=a1t0=2×1m/s=2m/s,
则两者达到相同的速度后,在t=0.5s时间内的位移大小x2=$vt+\frac{1}{2}a{t}^{2}=2×0.5+\frac{1}{2}×0.8×0.25m$=1.1m.
答:(1)从施加推力到两者刚达到相同的速度的过程中,小物块通过的位移大小为1m.
(2)两者达到相同的速度后,在t=0.5s时间内的位移大小为1.1m.

点评 解决本题的关键理清物体和小车在整个过程中的运动规律,结合牛顿第二定律和运动学公式进行求解,难度中等.

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