稿件来源:高途
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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,$PQN$为互成直角的挡板,$PQ$光滑竖直,$NQ$粗糙水平,光滑球$A$的半径$R=1\;\rm m$,质量$m=0.5\;\rm kg$,边长$L=1\;\rm m$,质量$M=1\;\rm kg$的正方体物块$B$在图示位置处于静止状态,物块与挡板$NQ$面的动摩擦因数$\mu=\dfrac{4}{9}$,$OD$与竖直方向的夹角$\theta=37^\circ $,重力加速度$g=10\;\rm m/s^{2}$,$\sin 37^\circ =0.6$,$\cos 37^\circ =0.8$,试求:
挡板$NQ$对物块$B$的支持力$F_{1}$,摩擦力$F_{f}$和$PQ$对球$A$的弹力$F_{2}$分别是多少?
$F_{1}=15\\;\\rm N$,$F_{f}=3.75\\;\\rm N$,$F_{2}=3.75\\;\\rm N$;
"]]根据题意,对球$A$受力分析,如图所示
由平衡条件有
$F_{3}\sin \theta=F_{2}$,$F_{3}\cos \theta=mg$
解得$F_{2}=mg\tan \theta=3.75\;\rm N$,$F_{3}=\dfrac{mg}{\cos\theta}$
对球$A$和物块$B$整体受力分析,如图所示
由平衡条件可得
$F_{1}=(M+m)g=15\;\rm N$,$F_{f}=F_{2}=3.75\;\rm N$;
若将物块$B$沿挡板$NQ$水平向左缓慢移动,移动过程中球$A$对挡板$PQ$和物块$B$的压力大小如何变化,为保持球$A$和物块$B$处于平衡状态,物块$B$向左移动的最大距离是多少?
球$A$对挡板$PQ$和物块$B$的压力均增大,$0.2\\;\\rm m$。
"]]对$A$受力分析,如图所示
当物块$B$向左移动时$\theta$角增大,$F_{2}$和$F_{3}$增大,根据力作用的相互性知,球$A$对挡板$PQ$和物块$B$的压力均增大。初始状态物块$B$与挡板$PQ$的距离为$x_{1}=R+R\sin \theta$
解得$x_{1}=1.6\;\rm m$
临界时$F_{f\text{m}}=\mu(M+m)g=\dfrac{20}{3}{\;\rm N}$
$F_{2}=F_{f\text{m}}=\dfrac{20}{3}{\;\rm N}$
此时$\tan\theta'=\dfrac{F_{2}}{mg}=\dfrac{4}{3}$
即$\theta'=53^\circ $
物块与挡板$PQ$的距离$x_{2}=R+R\sin \theta'=1.8\;\rm m$
物块向左移动的最大距离$\Delta x=x_{2} − x_{1}=0.2\;\rm m$。
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