2.若系统内各个物体的加速度不相同,又需要知道物体间的相互作用力,往往把物体从系统中隔离出来,分析物体的受力情况和运动情况,并分别应用牛顿第二定律列出方程.

 (2013·新课标全国卷Ⅱ)一长木板在水平地面上运动,在t=0时刻将一相对于地面静止的物块轻放到木板上,以后木板运动的速度—时间图象如图3-3-4所示.

图3-3-4

 

已知物块与木板的质量相等,物块与木板间及木板与地面间均有摩擦,物块与木板间的最大静摩擦力等于滑动摩擦力,且物块始终在木板上.取重力加速度的大小g=10 m/s2,求:

(1)物块与木板间、木板与地面间的动摩擦因数;

(2)从t=0时刻到物块与木板均停止运动时,物块相对于木板的位移的大小.

[解析] 从v­t图象中获取速度及加速度信息.根据摩擦力提供加速度,且不同阶段的摩擦力不同,利用牛顿第二定律列方程求解.

(1)从t=0时开始,木板与物块之间的摩擦力使物块加速,使木板减速,此过程一直持续到物块和木板具有共同速度为止.

由图可知,在t1=0.5 s时,物块和木板的速度相同.设t=0到t=t1时间间隔内,物块和木板的加速度大小分别为a1和a2,则

a1=                                      ①

a2=                                  ②

式中v0=5 m/s、v1=1 m/s分别为木板在t=0、t=t1时速度的大小.

设物块和木板的质量均为m,物块和木板间、木板与地面间的动摩擦因数分别为μ1、μ2,由牛顿第二定律得

μ1mg=ma1                                                        ③

(μ1+2μ2)mg=ma2                                              ④

联立①②③④式得

μ1=0.20                                    ⑤

μ2=0.30                                    ⑥

(2)在t1时刻后,地面对木板的摩擦力阻碍木板运动,物块与木板之间的摩擦力改变方向.设物块与木板之间的摩擦力大小为f,物块和木板的加速度大小分别为a′1和a′2,则由牛顿第二定律得

f=ma′1                                                                                     ⑦

2μ2mg-f=ma′2                                                                          ⑧

假设f<μ1mg,则a′1=a′2;由⑤⑥⑦⑧式得f=μ2mg>μ1mg,与假设矛盾.故f=μ1mg                                                ⑨

由⑦⑨式知,

物块加速度的大小a′1等于a1;物块的v­t图象如图中点划线所示.

由运动学公式可推知,物块和木板相对于地面的运动距离分别为

s1=2×                                    ⑩

s2=t1+                             ⑪

物块相对于木板的位移的大小为

s=s2-s1                                                              ⑫

联立①⑤⑥⑧⑨⑩⑪⑫式得

s=1.125 m                                    ⑬

[答案] (1)0.20 0.30 (2)1.125 m

[迁移应用]

●与滑轮有关的连接体问题

4.

图8-3-20

(2013·天津高考)一圆筒的横截面如图8-3-20所示,其圆心为O.筒内有垂直于纸面向里的匀强磁场,磁感应强度为B.圆筒下面有相距为d的平行金属板M、N,其中M板带正电荷,N板带等量负电荷.质量为m、电荷量为q的带正电粒子自M板边缘的P处由静止释放,经N板的小孔S以速度v沿半径SO方向射入磁场中.粒子与圆筒发生两次碰撞后仍从S孔射出,设粒子与圆筒碰撞过程中没有动能损失,且电荷量保持不变,在不计重力的情况下,求:

(1)M、N间电场强度E的大小;

(2)圆筒的半径R;

(3)保持M、N间电场强度E不变,仅将M板向上平移d,粒子仍从M板边缘的P处由静止释放,粒子自进入圆筒至从S孔射出期间,与圆筒的碰撞次数n.

[解析] 根据动能定理、洛伦兹力公式、牛顿第二定律解决问题.

(1)设两板间的电压为U,由动能定理得

qU=mv2①

由匀强电场中电势差与电场强度的关系得

U=Ed②

联立上式可得

E=③

(2)粒子进入磁场后做匀速圆周运动,运用几何关系作出圆心为O′,圆半径为r.设第一次碰撞点为A,由于粒子与圆筒发生两次碰撞又从S孔射出,因此,SA弧所对的圆心角∠AO′S等于.

 

由几何关系得

r=Rtan ④

粒子运动过程中洛伦兹力提供向心力,由牛顿第二定律,得

qvB=m⑤

联立④⑤式得

R=⑥

(3)保持M、N间电场强度E不变,M板向上平移d后,设板间电压为U′,则

U′==⑦

设粒子进入S孔时的速度为v′,由①式看出

=

综合⑦式可得

v′=v⑧

设粒子做圆周运动的半径为r′,则

r′=⑨

设粒子从S到第一次与圆筒碰撞期间的轨迹所对圆心角为θ,比较⑥⑨两式得到r′=R,可见

θ=⑩

粒子需经过四个这样的圆弧才能从S孔射出,故

n=3⑪

[答案] (1) (2) (3)3

 

 0  115466  115474  115480  115484  115490  115492  115496  115502  115504  115510  115516  115520  115522  115526  115532  115534  115540  115544  115546  115550  115552  115556  115558  115560  115561  115562  115564  115565  115566  115568  115570  115574  115576  115580  115582  115586  115592  115594  115600  115604  115606  115610  115616  115622  115624  115630  115634  115636  115642  115646  115652  115660  447090 

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