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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,水平平台$ab$长为$20\;\rm m$,平台$b$端与长度未知的特殊材料制成的斜面$bc$连接,斜面倾角为$30^\circ$;在平台$a$端放上质量为$5\;\rm kg$的物块,并给物块施加与水平方向成$37^\circ$角的$50\;\rm N$推力后,物块由静止开始运动。已知物块与平台间的动摩擦因数为$0.4$,重力加速度$g=10\;\rm m/s^{2}$,$\sin37^\circ=0.6$,求:(结果可用分数、根号表示)
物块由$a$运动到$b$所用的时间;
$5\\;\\rm s$;
"]]受力分析知物体的加速度为$a=\dfrac{F\cos 37{^\circ}-\mu\left( F\sin 37{^\circ}+mg \right)}{m}=1.6\;\rm \text{m}/{s}^{2}$
$x=\dfrac{1}{2}a_{1}t^{2}$
解得$a$到$b$的时间为$t=\sqrt{\dfrac{2 \times 20}{1.6}}\;\rm {s}=5\;\rm{s}$;
若物块从$a$端运动到$P$点时撤掉推力,则物块刚好能从斜面$b$端开始下滑,则间$aP$的距离为多少?(物块在$b$端无能量损失)
$14.3\\;\\rm m$;
"]]物体从$a$到$P$$v_{P}^{2}=2a_{1}x_{1}$
物块由$P$到$b$$v_{P}^{2}=2a_{2}x_{2}$
$a_{2}=\mu g$
$x=x_{1}+x_{2}$
解得$aP$距离为$x_{1}=14.3\;\rm m$;
若物块与斜面间的动摩擦因数$\mu_{bc}= \dfrac{\sqrt{3}}{10}+ \dfrac{\sqrt{3}}{3}L_{b}$,式中$L_{b}$为物块在斜面上所处的位置离$b$端的距离(斜面足够长),在($2$)中的情况下,物块沿斜面滑多少距离时速度最大?最大速度为多少?
$0.7\\;\\rm m$,$\\dfrac{7}{10}\\sqrt{5}\\;\\rm{m/s}$。
"]]物块沿斜面$bc$下滑的过程中,受摩擦力逐渐变大,则先做加速度减小的加速运动,后做加速度增大的减速运动,加速度为零时速度最大。
在该位置,由牛顿第二定律得
$mg\sin30^\circ-\mu bcmg\cos30^\circ=0$
由题意可知$\mu_{bc}=\dfrac{\sqrt{3}}{10}+\dfrac{\sqrt{3}}{3}L_{b}$
解得$Lb=0.7\;\rm m$
因加速度与下滑的位移成线性关系,可知从开始运动到速度最大平均加速度为$a=\dfrac{a_{0}+0}{2}=\dfrac{1}{2}(g\sin 30^{^\circ}-\mu_{bc}{}_{0}g\cos 30^{^\circ}=\dfrac{7}{4}\;\rm {m/s}^{{2}}$
则最大速度$v_{{\rm m}}=\sqrt{2aL_{b}}=\dfrac{7}{10}\sqrt{5}\;\rm{m/s}$。
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