Question

（2013·北京東城二模，24題）如圖所示，在光滑的水平長直軌道上，有一質量為M=3kg、長度為L=2m的平板車以速度v₀=4m/s勻速運動。某時刻將質量為m=1kg的小滑塊輕放在平板車的中點，小滑塊與車面間的動摩擦因數(shù)為μ=0.2,取g=10m/s²。

  （1）若小滑塊最終停在平板車上，小滑塊和平板車摩擦產(chǎn)生的內(nèi)能為多少？

  （2）若施加一個外力作用在平板車上使其始終保持速度為v₀=4m/s的勻速運動，當小滑塊放到平板車中點的同時，對該小滑塊施加另一個與平板車運動方向相同的恒力F，要保證滑塊不能從平板車的左端掉下，恒力F大小應該滿足什么條件？

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

Answer 1

【答案】見解析

【解析】（1）由動量守恒定律得：

       解得

由能量守恒得：

（2）設恒力F取最小值為F₁，滑塊加速度為a₁，此時滑塊恰好到達車的左端，則

滑塊運動到車左端的時間        ① 

由幾何關系有          ②                 

由牛頓定律有         ③                 

由①②③式代入數(shù)據(jù)解得  ，             

則恒力F大小應該滿足條件是                      

（3）力F取最小值，當滑塊運動到車左端后，為使滑塊恰不從右端滑出，相對車先做勻加速運動（設運動加速度為a₂，時間為t₂），再做勻減速運動（設運動加速度大小為a₃）．到達車右端時，與車達共同速度．則有

                     ④                 

                         ⑤                 

                        ⑥                 

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

則力F的作用時間t應滿足  ，即。