题目内容

1.如图1所示,质量M=1kg的木板静止在粗糙的水平地面上,木板与地面间的动摩擦因数μ1=0.1,在木板的左端放置一个质量m=1kg、大小可以忽略的铁块,铁块也处于静止状态,铁块与木板间的动摩擦因数μ2=0.4,取g=10m/s2,已知最大静摩擦力等于滑动摩擦力.试求:

(1)若木板长L=1m,在铁块上加一个水平向右的恒力F=8N,求铁块和木板的加速度大小分别为多少?如果恒力F作用一段时间后撤去F,要使铁块与木板分离,求F作用的最短时间?
(2)若在木板(足够长)的右端施加一个大小从零开始连续增加的水平向左的推力F,通过分析和计算后,请在图2中画出铁块受到的摩擦力f随推力F大小变化的图象.

分析 (1)隔离对铁块和木板分析,根据牛顿第二定律求出撤去F前后铁块和木板的加速度,抓住最终速度相等时恰好分离,结合运动学公式求出F作用的最短时间.
(2)隔离对铁块分析,结合铁块的临界加速度,对整体分析,得出铁块与木板分离时F的大小,从而确定铁块所受的摩擦力,作出图线.

解答 解:(1)对铁块分析,根据牛顿第二定律得,铁块的加速度为:
${a}_{1}=\frac{F-{μ}_{2}mg}{m}=\frac{8-0.4×10}{1}m/{s}^{2}$=4m/s2,
木板的加速度为:
${a}_{2}=\frac{{μ}_{2}mg-{μ}_{1}(M+m)g}{M}$=$\frac{0.4×10-0.1×20}{1}m/{s}^{2}=2m/{s}^{2}$.
设F作用的最短时间为t,撤去F时,m的速度v1=a1t=4t,M的速度v2=a2t=2t,
撤去F后,m的加速度大小为:${a}_{3}=\frac{{μ}_{2}mg}{m}={μ}_{2}g=4m/{s}^{2}$,
木板的加速度为:${a}_{4}={a}_{2}=2m/{s}^{2}$
恰好分离时,速度相等,有:v1-a3t′=v2+a4t′,
解得:t′=$\frac{{v}_{1}-{v}_{2}}{{a}_{3}+{a}_{4}}=\frac{4t-2t}{6}=\frac{t}{3}$,
根据在有F和无F时,相对位移之和等于L,有:($\frac{1}{2}{a}_{1}{t}^{2}-\frac{1}{2}{a}_{2}{t}^{2}$)+(${v}_{1}t′-\frac{1}{2}{a}_{3}t{′}^{2}$-${v}_{2}t′-\frac{1}{2}{a}_{4}t{′}^{2}$)=L,
代入数据解得t=$\frac{\sqrt{3}}{2}s$.
(2)当m和M发生相对滑动的临界加速度a=${μ}_{2}g=0.4×10m/{s}^{2}=4m/{s}^{2}$,
对整体分析,F-μ1(M+m)g=(M+m)a,
解得F=0.1×2×10+2×4N=10N,
可知F≤10N,铁块受静摩擦力,f=ma=$m•\frac{F-{μ}_{1}(M+m)g}{M+m}$=$\frac{F}{2}-1$,
当F>10N时,铁块受滑动摩擦力,f=μ2mg=0.4×10N=4N.
铁块受到的摩擦力f随推力F大小变化的图象如图所示.
答:(1)铁块和木板的加速度大小分别为4m/s2、2m/s2;F作用的最短时间为$\frac{\sqrt{3}}{2}$s.
(2)铁块受到的摩擦力f随推力F大小变化的图象如图所示.

点评 本题考查了牛顿第二定律的滑块模型,关键理清铁块和木板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综合求解.

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