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高中 | 斜面问题题目答案及解析如下,仅供参考!
必修1
第四章 牛顿运动定律
4.6 用牛顿运动定律解决问题(一)
斜面问题
如图所示,顶端带有轻质定滑轮的斜面体放在水平地面上,不可伸长的轻绳跨过定滑轮一端连接斜面上的木板$A$,另一端连接小物块$B$。初始时木板$A$刚好不上滑,小物块$B$离水平地面的高度为$h=0.2\ \rm m$,某时刻小物块$C$以初速度$v_{0}=10\;\rm m/s$滑上木板$A$,一段时间后,在小物块$B$落地的瞬间剪断轻绳。已知斜面与水平方向的夹角为$\theta=37^\circ $,木板$A$与滑轮间轻绳与斜面平行,木板$A$足够长且木板不会与滑轮相碰,整个运动过程中斜面体始终保持静止,木板$A$的质量$m_{A}=2\;\rm kg$,小物块$C$的质量$m_{C}=1\;\rm kg$,木板$A$与斜面间动摩擦因数为$\mu _{1}=0.5$,小物块$C$与木板$A$间动摩擦因数为$\mu _{2}=0.75$,最大静摩擦力等于滑动摩擦力,取重力加速度$g=10\;\rm m/s^{2}$,$\sin37^\circ =0.6$,$\cos37^\circ =0.8$,求
小物块$B$的质量$m_{B}$;
$2\\;\\rm kg$
"]]初始时木板$A$刚好不上滑,对木板$A$受力分析得$T_{1}=m_{A}g\sin\theta+\mu _{1}m_{A}g\cos\theta$
对小物块$B$受力分析得$T_{1}=m_{B}g$
解得$m_{B}=2\;\rm kg$
木板$A$在斜面上向上运动的最大距离$s$及运动时间$t$;
$0.4\\ \\rm m$,$1\\;\\rm s$
"]]当小物块$C$滑上木板$A$后未共速前,对小物块$C$、木板$A$和小物块$B$受力分析得$m_{C}g\sin\theta+\mu _{2}m_{C}g\cos\theta=m_{C}a_{C}$
$T_{2}+\mu _{2}m_{C}g\cos\theta-m_{A}g\sin\theta-\mu _{1}(m_{A}+m_{C})g\cos\theta=m_{A}a_{AB}$
$m_{B}g-T_{2}=m_{B}a_{AB}$
解得$a_{C}=12\;\rm m/s^{2}$,$a_{AB}=0.5\;\rm m/s^{2}$
即小物块$C$做匀减速直线运动,木板$A$和小物块$B$做匀加速直线运动,设经过时间$t_{1}$后木板$A$和小物块$C$达到共速,此时有$v_{0}-a_{C}t_{1}=a_{AB}t_{1}$
$s_{1}=\dfrac{1}{2}a_{\text{AB}}t_{1}^{2}$
解得$t_{1}=0.8\;\rm s$,$s_{1}=0.16\ \rm m$
此时二者速度大小均为$v_{共}=0.4\;\rm m/s$
木板$A$和小物块$C$共速之后二者相对静止一起运动,此时对$AC$整体和小物块$B$受力分析得$\mu _{1}(m_{A}+m_{C})g\cos\theta+(m_{A}+m_{C})g\sin\theta-T_{3}=(m_{A}+m_{C})a_{1}$
$T_{3}-m_{B}g=m_{B}a_{1}$
解得$a_{1}=2\;\rm m/s^{2}$
与速度方向相反,做匀减速直线运动,假设经过时间$t_{2}$从共速到速度减到零,则$v_{共}^{2}=2a_{1}s_{2}$
$t_{2}=\dfrac{v_{共}}{a_{1}}$
解得$s_{2}=0.4\ \rm m$,$t_{2}=0.2\;\rm s$
即三者速度减到零时小物块$B$恰好落地,所以木板$A$在斜面上向上运动的最大距离为$s=s_{1}+s_{2}$
解得$s=0.2\ \rm m$
运动时间为$t=t_{1}+t_{2}$
解得$t=1\;\rm s$
木板$A$回到初始位置时的速度大小$v$;
$\\dfrac{2}{5}\\sqrt{5}\\;\\rm \\text{m/s}$
"]]小物块$B$落地的瞬间剪断轻绳后,木板$A$和小物块$C$将相对静止一起向下运动,对$AC$整体受力分析得$(m_{A}+m_{C})g\sin\theta-\mu _{1}(m_{A}+m_{C})g\cos\theta=(m_{A}+m_{C})a_{2}$
解得$a_{2}=2\;\rm m/s^{2}$
方向沿斜面向下,由运动学公式$v^{2}=2a_{2}s$
解得$v=\dfrac{2}{5}\sqrt{5}\;\rm \text{m/s}$
从木板$A$开始运动到木板$A$回到初始位置的过程中,画出地面对斜面体的静摩擦力$f$随时间$t$变化的图像。(规定水平向左为正方向,不用写出论证过程)
答案见解析
"]]地面对斜面体的静摩擦力$f$随时间$t$变化的图像如下图所示
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