圖甲中,質(zhì)量為m的物塊A疊放在質(zhì)量為2m的足夠長(zhǎng)的木板B上方正中間,木板放在光滑的水平地面上,物塊與木板之間的動(dòng)摩擦因數(shù)為μ=0.2.在木板上施加一水平向右的拉力F,在0~3s內(nèi)F的變化如圖乙所示,圖中F以mg為單位,重力加速度g=10m/s2.整個(gè)系統(tǒng)開始時(shí)靜止.

(1)分別求出1s末、1.5s末和3s末物塊A的速度以及木板B的速度;
(2)在同一坐標(biāo)系中畫出0~3s內(nèi)木板B和物塊A的v-t圖象,據(jù)此求0~3s內(nèi)物塊相對(duì)于木板滑過的距離;
(3)3s末在木板上施加一水平向左的大小F=mg的拉力作用一定時(shí)間,使AB最終都能停止運(yùn)動(dòng),求最終A靜止在B上的位置.
(1)m相對(duì)M即將滑動(dòng)時(shí)加速度為am=μg=2m/s2,
則F0=(m+2m)am=0.6mg,是AB相對(duì)滑動(dòng)的臨界條件.
在t1=1s時(shí)間內(nèi),F(xiàn)=mg>F0.設(shè)木板和物塊的加速度分別為aA1和aB1,
aA1=
f
m
=μg=2m/s2

aB1=
F-f
2m
=4m/s2

由公式v=at,解得1s末vA1=2m/s,vB1=4m/s
在t2=1.5s時(shí)間內(nèi),F(xiàn)=0.4mg,vB>vA,則依然存在相對(duì)滑動(dòng),
aA2=
f
m
=μg=2m/s2
aB2=
F-f
2m
=1m/s2

由公式v=v0+at,解得得1.5s末vA2=3m/s,vB2=4.5m/s
在t>1.5s時(shí)間內(nèi),F(xiàn)=0,vB>vA,則依然存在相對(duì)滑動(dòng),aA3=
f
m
=μg=2m/s2
,做加速運(yùn)動(dòng).
aB3=
f
2m
=1m/s2
,做減速運(yùn)動(dòng).
設(shè)經(jīng)過△t時(shí)間共速,
則vA2+aA3△t=vB2-aB3△t
代入數(shù)據(jù)得△t=0.5s,故2s末以后vA3=vB3=4m/s.
(2)由(1)問計(jì)算結(jié)果得到物塊與木板運(yùn)動(dòng)的v-t圖象,如圖所示.在0~3s內(nèi)物塊相對(duì)于木板的距離△s等于木板和物塊v-t圖線下的面積之差,
即圖中帶陰影的四邊形面積,該四邊形由兩個(gè)三角形組成,上面的三角形面積為0.25(m),下面的三角形面積為2(m),
因此物塊木板△s=2.25 m.
(3)3s末vA=vB=4m/s,在木板上施加一水平向左的大小F=mg>F0的拉力后,AB勻減速運(yùn)動(dòng),由-Ft=0-(m+2m)v
得需要作用t=1.2s,才能讓AB最終停止運(yùn)動(dòng).
aA=
f
m
=μg=2m/s2
,減速,A停止用時(shí)tA=
vA
aA
=2s

sA=
vA2
2aA
=4m

aB=
F-f
2m
=4m/s2
,減速,
t=1.2s時(shí)間內(nèi),vB'=vB-aBt=-0.8 m/s
t=1.2s末撤去外力F,aB′=
f
2m
=1m/s2
,t′=0.8s停止運(yùn)動(dòng).
sB=
1
2
(vB+vB′)t-
vB2
2aB
=1.6m

則△s'=4-1.6=2.4 m,
所以最終A靜止在B上的離中間右方2.4-2.25=0.15m位置處.
答:(1)1s末、1.5s末和3s末物塊A的速度分別為2m/s、3m/s、4m/s,B的速度分別為4m/s、4.5m/s、4m/s.
(2)圖象如圖所示,0~3s內(nèi)物塊相對(duì)于木板滑過的距離為2.25m.
(3)最終A靜止在B上的位置為離中間右方0.15m位置處.
練習(xí)冊(cè)系列答案
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(1)請(qǐng)你算出雪塊的初速度為多大?
(2)請(qǐng)問雪塊沿坡面向上滑的時(shí)間為多長(zhǎng)?(sin37°=0.6,cos37°=0.8,g取10m/s2

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A.
v20
2μg
B.
v20
μg
C.v0t-
1
2
μgt2
D.v0t

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A.加速度和速度均越來(lái)越小,它們的方向均向下
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C.加速度先變小后變大,方向先向下后向上;速度先變大后又變小,方向一直向下
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