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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,水平传送带右端通过一段光滑的圆弧轨道与固定的斜面对接,传送带长$L=3\;\rm m$,沿顺时针方向以$v_{0}=5\;\rm m/s$的速度转动,斜面高$h=0.5\;\rm m$,倾角$\theta=30^\circ $,某时刻将一质量为$m=0.5\;\rm kg$的小物块无初速度轻放到传送带的左端,被传送带传送到右端经光滑的小圆弧运动到斜面上。物块与传送带和斜面之间的动摩擦因数分别为$\mu _{1}=0.5$、$\mu_{2}=\dfrac{\sqrt{3}}{3}$,不考虑物块的大小,忽略物块在小圆弧上运动的时间及速度大小的变化,物块运动到斜面上时在竖直平面内对物块施加力$F$,使物块沿斜面匀速上滑,已知$g=10\;\rm m/s^{2}$。以下说法正确的是$(\qquad)$
物块在传送带和斜面上运动的总时间为$1.3\\;\\rm s$
","物块在传送带上运动过程中相对于传送带的路程为$2.5\\;\\rm m$
","力$F$沿斜面向上时具有最小值,最小拉力$F$为$5\\;\\rm N$
","力$F$斜向右上与斜面夹角为$30^\\circ$时拉力最小,最小拉力$F$为$\\dfrac{5\\sqrt{3}}{3}\\;\\rm {N}$
"]$\rm B$.物块在传送带上加速过程,由牛顿第二定律有$\mu _{1}mg=ma_{1}$
解得$a_{1}=5\;\rm m/s^{2}$
由运动学公式可得,物块运动的位移为$x_{1}=\dfrac{v_{0}^{2}}{2a_{1}}=\dfrac{5^{2}}{2 \times 5}{\;\rm m}=2.5{\;\rm m} \lt L=3\;\rm \text{m}$
物块运动的时间为$t_{1}=\dfrac{v_{0}}{a_{1}}=1\;\rm \text{s}$
之后物块随传送带一起匀速,则有$t_{2}=\dfrac{L-x_{1}}{v_{0}}=0.1\;\rm \text{s}$
物块相对于传送带运动过程,传送带的位移为$x_{2}=v_{0}t_{1}=5\;\rm m$
则物块相对于传送带运动路程为$s=x_{2} − x_{1}=2.5\;\rm m$,故$\rm B$正确;
$\rm A$.物块沿斜面匀速上滑,物块在斜面上运动的时间$t_{3}=\dfrac{\dfrac{h}{\sin 30{^\circ}}}{v_{0}}=0.2\;\rm \text{s}$
则物块在传送带和斜面上运动的总时间为$t=t_{1}+t_{2}+t_{3}=1.3\;\rm s$,故$\rm A$正确;
$\rm CD$.物块在斜面上运动过程中对物块受力分析,如图所示
将斜面对物块的支持力$F_{N}$和摩擦力$F_{f}$等效成$F'$,则有$\tan\alpha=\dfrac{F_{N}}{F_{f}}=\dfrac{F_{N}}{\mu_{2}F_{N}}=\dfrac{3}{\mu_{2}}=\sqrt{3}$
解得$\alpha=60^\circ $,$F'$方向不变,然后将$mg$、$F$和拉力$F$矢量平移到一个三角形当中,当$F$与$F'$垂直时拉力$F$最小,则有$\beta=90^\circ − (180^\circ − 60^\circ − 60^\circ )=30^\circ $
$F_{\min}=mg\cos\beta=\dfrac{5\sqrt{3}}{2}{\;\rm N}$
则$F$与斜面的夹角$\gamma=60^\circ − \beta=30^\circ $,故$\rm CD$错误。
故选:$\rm AB$。
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