Question

如圖所示，為一個(gè)實(shí)驗(yàn)室模擬貨物傳送的裝置，A是一個(gè)表面絕緣質(zhì)量為1kg的小車，小車置于光滑的水平面上，在小車左端放置一質(zhì)量為0.1kg帶電量為q=1×10^-2C的絕緣貨柜，現(xiàn)將一質(zhì)量為0.9kg的貨物放在貨柜內(nèi)．在傳送途中有一水平電場(chǎng)，可以通過開關(guān)控制其有、無(wú)及方向．先產(chǎn)生一個(gè)方向水平向右，大小E₁=3×10²N/m的電場(chǎng)，小車和貨柜開始運(yùn)動(dòng)，作用時(shí)間2s后，改變電場(chǎng)，電場(chǎng)大小變?yōu)镋₂=1×10²N/m，方向向左，電場(chǎng)作用一段時(shí)間后，關(guān)閉電場(chǎng)，小車正好到達(dá)目的地，貨物到達(dá)小車的最右端，且小車和貨物的速度恰好為零．已知貨柜與小車間的動(dòng)摩擦因數(shù)?=0.1，（小車不帶電，貨柜及貨物體積大小不計(jì)，g取10m/s²）求：
（1）第二次電場(chǎng)作用的時(shí)間；
（2）小車的長(zhǎng)度；
（3）小車右端到達(dá)目的地的距離．

Answer 1

分析：（1）根據(jù)牛頓第二定律分別求出小車和貨物的加速度，再根據(jù)運(yùn)動(dòng)學(xué)基本公式分別求出速度和位移，經(jīng)2秒后，貨物作勻減速運(yùn)動(dòng)，求出貨物的加速度，小車加速度不變，仍為a₂=1m/s²向右，當(dāng)兩者速度相等時(shí)，貨柜恰好到達(dá)小車最右端，以后因?yàn)閝E₂=f=?（m₀+m₁）g，貨柜和小車一起作為整體向右以相同的加速度向右作勻減速直到速度都為0．求出貨物和小車獲得共同速度至停止運(yùn)動(dòng)用時(shí)間，即可求出第二次電場(chǎng)作用時(shí)間；
（2）求出小車在t₂時(shí)間內(nèi)位移和貨柜在t₂時(shí)間內(nèi)位移，根據(jù)位移關(guān)系即可求得小車長(zhǎng)度；
（3）小車右端到達(dá)目的地的距離為三段運(yùn)動(dòng)位移之和．

解答：解：（1）根據(jù)牛頓第二定律得：貨物的加速度a1=

F1-f

m1+m0

=

3-μ(m1+m0)g

m1+m0

=

3-0.1×1×10

1

=2m/s²
小車的加速度為：a2=

f′

M

=1m/s2
經(jīng)t₁=2s  貨物運(yùn)動(dòng)s1=

1

2

a1t12=4m  
小車運(yùn)動(dòng)s1=

1

2

a2t12=2m
貨物V₁=a₁t₁=2×2=4m/s  向右
小車V₂=a₂t₁=1×2=2m/s   向右
經(jīng)2秒后，貨物作勻減速運(yùn)動(dòng)a′1=

qE2+f

m1+m0

=

1+1

1

=2m/s2 向左
小車加速度不變，仍為a₂=1m/s²向右，當(dāng)兩者速度相等時(shí)，貨柜恰好到達(dá)小車最右端，以后因?yàn)閝E₂=f=?（m₀+m₁）g，貨柜和小車一起作為整體向右以a3=

qE2

m1+m0+m

=

1

2

=0.5m/s2，向右作勻減速直到速度都為0．
共同速度為V=V₁-a₁′t₂    
V=V₂+a₂′t₂
t₂=

2

3

s
V=

8

3

m/s
貨物和小車獲得共同速度至停止運(yùn)動(dòng)用時(shí)間t3=

0- 8 3

-0.5

=

16

3

s 
第二次電場(chǎng)作用時(shí)間為t=t₂+t₃=6s
（2）小車在t₂時(shí)間內(nèi)位移S₃=V₂t₂+

1

2

a₂t₂²=

14

9

m
貨柜在t₂時(shí)間內(nèi)位移為S₄=V₁t₂-

1

2

a₁′t₂²=

20

9

m
小車長(zhǎng)度L=S₁-S₂+S₄-S₃=

24

9

m
（3）小車右端到達(dá)目的地的距離為S
s=s2+s3+

0-v2

2a3

=

32

3

=10.7m
答：（1）第二次電場(chǎng)作用的時(shí)間為6s；
（2）小車的長(zhǎng)度為

24

9

m；
（3）小車右端到達(dá)目的地的距離為10.7m．

點(diǎn)評(píng)：本題主要考查了勻變速直線運(yùn)動(dòng)基本公式的直接應(yīng)用，要求同學(xué)們能正確分析各過程的受力情況，根據(jù)牛頓第二定律求出加速度，結(jié)合隔離法和整體法解題，難度較大．