Question

在水平長直的軌道上，有一長度為L的平板車在外力控制下始終保持速度v₀做勻速直線運(yùn)動．某時(shí)刻將一質(zhì)量為m的小滑塊輕放到車面的中點(diǎn)，滑塊與車面間的動摩擦因數(shù)為μ．

（1）證明：若滑塊最終停在小車上，滑塊和車摩擦產(chǎn)生的內(nèi)能與動摩擦因數(shù)μ無關(guān)，是一個定值．

（2）已知滑塊與車面間動摩擦因數(shù)μ=0.2，滑塊質(zhì)量m=1kg，車長L=2m，車速v₀=4m/s，取g=10m/s²，當(dāng)滑塊放到車面中點(diǎn)的同時(shí)對該滑塊施加一個與車運(yùn)動方向相同的恒力F，要保證滑塊不能從車的左端掉下，恒力F大小應(yīng)該滿足什么條件？

（3）在（2）的情況下，力F取最小值，要保證滑塊不從車上掉下，力F的作用時(shí)間應(yīng)該在什么范圍內(nèi)?

 

Answer 1

（1）        （2）           （3）

   

解析:

（1）根據(jù)牛頓第二定律，滑塊相對車滑動時(shí)的加速度

                                     

    滑塊相對車滑動的時(shí)間                         

滑塊相對車滑動的距離                        

滑塊與車摩擦產(chǎn)生的內(nèi)能                       

由上述各式解得  （與動摩擦因數(shù)μ無關(guān)的定值） 

（2）設(shè)恒力F取最小值為F₁，滑塊加速度為a₁，此時(shí)滑塊恰好到達(dá)車的左端，則

滑塊運(yùn)動到車左端的時(shí)間        ① 

由幾何關(guān)系有          ②                 

由牛頓定律有         ③                 

由①②③式代入數(shù)據(jù)解得  ，             

則恒力F大小應(yīng)該滿足條件是                      

（3）力F取最小值，當(dāng)滑塊運(yùn)動到車左端后，為使滑塊恰不從右端滑出，相對車先做勻加速運(yùn)動（設(shè)運(yùn)動加速度為a₂，時(shí)間為t₂），再做勻減速運(yùn)動（設(shè)運(yùn)動加速度大小為a₃）．到達(dá)車右端時(shí)，與車達(dá)共同速度．則有

                     ④             

                         ⑤             

                        ⑥                 

由④⑤⑥式代入數(shù)據(jù)解得                     

則力F的作用時(shí)間t應(yīng)滿足  ，即