高中 | 斜面问题 题目答案及解析

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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$m_{B}$

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$2\\;\\rm kg$

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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$t$

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$0.4\\ \\rm m$$1\\;\\rm s$

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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$v$

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$\\dfrac{2}{5}\\sqrt{5}\\;\\rm \\text{m/s}$

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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)

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答案见解析

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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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如图甲所示,水平地面上放置一倾角为的足够长的斜面,质量为的物块置于斜面的底端。某时刻起物块在沿斜面向上的力作用下由静止开始运动,力随位移变化的规律如图乙所示。已知整个过程斜面体始终保持静止状态,物块开始运动内位移,后物块再运动时速度减为。取,,。求: 如图所示,一滑块从固定的斜面底端处冲上粗糙的斜面,到达某一高度后返回。下列各图分别表示滑块在斜面上运动的速度、加速度、势能、机械能随时间变化的图像,可能正确的是 如图所示,顺时针以匀速转动的倾斜传送带的两个皮带轮的圆心分别为、,一小物块(可看成质点)从点正上方以的初速度放于长度为的传送带上,小物块与传送带间动摩擦因数,经过一段时间,小物块从点抛出,恰好落在临近平台的一倾角为的光滑斜面顶端,并刚好沿光滑斜面下滑,已知点是斜面顶端的投影点,,,,求: 如图所示,在倾角为的光滑斜面上,一质量为的小车的支架上用轻绳连接着质量也为的小球,小车在沿斜面向下的外力作用下下滑,在小车下滑的过程中,轻绳恰好处于水平,取,则下列说法正确的是 如图所示,质量为的三角形木楔,置于静止在水平面上的斜面体上,斜面体倾角为,与之间的动摩擦因数为,一水平力作用在木楔的竖直面上,在力的推动下,木楔沿斜面以恒定的加速度向上滑动,此时斜面体仍静止,则 如图所示,某路段由斜面和水平面组成,其中段倾角为,段和段平滑连接。将小滑块由点自由释放,一段时间后小滑块停在点。已知小滑块与段间的动摩擦因数为,小滑块与段间的动摩擦因数为,段长度为,取重力加速度,,,求
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