| 受力分析 题目答案及解析

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必修1

第三章 相互作用

3.5 力的分解

受力分析

如图所示,倾角为$37^\circ$的固定光滑斜面长$L=7\;\rm m$,质量$M=1\;\rm kg$、长$s=1\;\rm m$的长木板位于斜面低端,质量$m=2\;\rm kg$的小金属块位于木板的下端,开始时它们都处于静止状态,金属块和木板之间的动摩擦因数为$\dfrac{9}{1\text{6}}$,若一个沿斜面向上的拉力$F$作用于金属块上,使金属块由静止开始向上运动,重力加速度$g$$10\;\rm m/s^{2}$$\sin 37^\circ =0.6$$\cos 37^\circ =0.8$

金属块能向上运动时,求拉力$F$应该满足的条件;

[["

$F\\gt 18\\;\\rm N$

"]]

由于斜面光滑,则当拉力$F$足够大时,金属块和长木板一起开始向上运动,对金属块和长木板整体分析可得$F\gt (m+M)g\sin 37^\circ $

即金属块能向上运动时,求拉力$F$应该满足$F\gt 18\;\rm N$

求木板的上端到达斜面顶端的最短时间;

[["

$2\\;\\rm s$

"]]

要使木板的上端到达斜面顶端的最短时间,即木板的加速度最大,对木板分析可知,此时金属块与长木板之间的摩擦力恰好为滑动摩擦力时,则根据牛顿第二定律有$\mu mg\cos 37^\circ-Mg\sin 37^\circ =Ma_{木}$

解得,木板的最大加速度为$a_{木}=3\;\rm m/s^{2}$

则根据运动学规律有$L-s=\dfrac{1}{2}a_{木}t^{2}$

则木板的上端到达斜面顶端的最短时间为$t=2\;\rm s$

要使木板顶端到达斜面顶端的时间最短求拉力$F$的范围。

[["

$27\\;{\\rm N}\\leqslant F\\leqslant 28\\;\\rm N$

"]]

当金属块与长木板间恰好相对滑动时,两者加速度相等,对整体分析,根据牛顿第二定律有$F_{\min}-(m+M)g\sin 37^\circ =(m+M)a_{共}=(m+M)a_{木}$

可得,当金属块与长木板间恰好相对滑动时,此时拉力取最小值为$F_{\min}=27\;\rm N$

整个过程中金属块不能离开长木板,故而拉力不能过大,对金属块分析可知,在木板顶端到达斜面顶端的时间内,金属块恰好也到达斜面顶端,此时拉力取最大值,根据运动学规律有$L=\dfrac{1}{2}a_{金}t^{2}$

解得,此时金属块的加速度为$a_{金}=3.5\;\rm m/s^{2}$

则根据牛顿第二定律有$F_{\max}-mg\sin 37^\circ-\mu mg\cos 37^\circ =ma_{金}$

可得,拉力的最大值为$F_{\max}=28\;\rm N$

故要使木板顶端到达斜面顶端的时间最短,则拉力$F$的范围为$27\;{\rm N}\leqslant F\leqslant 28\;\rm N$

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