高考物理滑块木板模型问题分析

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高考物理滑块木板模型问题分析

滑块—木板模型的动力学分析 ‎  在高三物理复习中,滑块—木板模型作为力学的基本模型经常出现,是对一轮复习中直线运动和牛顿运动定律有关知识的巩固和应用。这类问题的分析有利于培养学生对物理情景的想象能力,为后面动量和能量知识的综合应用打下良好的基础。滑块—木板模型的常见题型及分析方法如下:‎ ‎ ‎ ‎  例1 如图1所示,光滑水平面上放置质量分别为m、2m的物块A和木板B,A、B间的最大静摩擦力为μmg,现用水平拉力F拉B,使A、B以同一加速度运动,求拉力F的最大值。‎ ‎ ‎ ‎ ‎ ‎ ‎ ‎  分析:为防止运动过程中A落后于B(A不受拉力F的直接作用,靠A、B间的静摩擦力加速),A、B一起加速的最大加速度由A决定。‎ ‎ ‎ ‎  解答:物块A能获得的最大加速度为:.‎ ‎ ‎ ‎  ∴A、B一起加速运动时,拉力F的最大值为:‎ ‎ ‎ ‎          .‎ ‎ ‎ ‎  变式1 例1中若拉力F作用在A上呢?如图2所示。‎ ‎ ‎ ‎ ‎ ‎  解答:木板B能获得的最大加速度为:。‎ ‎ ‎ ‎  ∴A、B一起加速运动时,拉力F的最大值为:‎ ‎ ‎ ‎  .‎ ‎ ‎ ‎  变式2 在变式1的基础上再改为:B与水平面间的动摩擦因数为(认为最大静摩擦力等于滑动摩擦力),使A、B以同一加速度运动,求拉力F的最大值。‎ ‎ ‎ ‎  解答:木板B能获得的最大加速度为:‎ ‎ ‎ ‎  设A、B一起加速运动时,拉力F的最大值为Fm,则:‎ ‎ ‎ ‎     解得:  ‎ ‎ ‎ ‎  例2 如图3所示,质量M=8kg的小车放在光滑的水平面上,在小车右端加一水平恒力F,F=8N,当小车速度达到1.5m/s时,在小车的前端轻轻放上一大小不计、质量m=2kg的物体,物体与小车间的动摩擦因数μ=0.2,小车足够长,求物体从放在小车上开始经t=1.5s通过的位移大小。(g取10m/s2)‎ ‎ ‎ ‎ ‎ ‎  解答:物体放上后先加速:a1=μg=2m/s2‎ ‎ ‎ ‎  此时小车的加速度为:        ‎ ‎ ‎ ‎  当小车与物体达到共同速度时:‎ ‎ ‎ ‎  v共=a1t1=v0+a2t1        ‎ ‎ ‎ ‎  解得:t1=1s   ,v共=2m/s ‎ ‎ ‎  以后物体与小车相对静止: (∵,物体不会落后于小车)‎ ‎ ‎ ‎  物体在t=1.5s内通过的位移为:s=a1t12+v共 (t-t1)+ a3(t-t1)2=2.1m ‎ ‎ ‎  练习1 如图4所示,在水平面上静止着两个质量均为m=1kg、长度均为L=1.5m的木板A和B,A、B间距s=6m,在A的最左端静止着一个质量为M=2kg的小滑块C,A、B与C之间的动摩擦因数为μ1=0.2,A、B与水平地面之间的动摩擦因数为μ2=0.1。最大静摩擦力可以认为等于滑动摩擦力。现在对C施加一个水平向右的恒力F=4N,A和C开始运动,经过一段时间A、B相碰,碰后立刻达到共同速度,C瞬间速度不变,但A、B并不粘连,求:经过时间t=10s时A、B、C的速度分别为多少?(已知重力加速度g=10m/s2)‎ ‎ ‎ ‎  解答:假设力F作用后A、C一起加速,则:‎ ‎ ‎ ‎  而A能获得的最大加速度为:‎ ‎ ‎ ‎  ∵     ∴假设成立 ‎ ‎ ‎  在A、C滑行6m的过程中:   ∴v1=2m/s ‎ ‎ ‎                            ‎ ‎ ‎ ‎  A、B相碰过程,由动量守恒定律可得:mv1=2mv2   ∴v2=1m/s ‎ ‎ ‎  此后A、C相对滑动:,故C匀速运动;‎ ‎ ‎ ‎                      ,故AB也匀速运动。‎ ‎ ‎ ‎  设经时间t2,C从A右端滑下:v1t2-v2t2=L    ∴t2=1.5s ‎ ‎ ‎  然后A、B分离,A减速运动直至停止:aA=μ2g=1m/s2,向左 ‎ ‎ ‎                                    ‎ ‎ ‎ ‎  ,故t=10s时,vA=0.‎ ‎ ‎ ‎  C在B上继续滑动,且C匀速、B加速:aB=a0=1m/s2‎ ‎ ‎ ‎         设经时间t4,C.B速度相等:  ∴t4=1s ‎ ‎ ‎         此过程中,C.B的相对位移为:,故C没有从B的右端滑下。‎ ‎ ‎ ‎  然后C.B一起加速,加速度为a1,加速的时间为:‎ ‎ ‎ ‎                                      ‎ ‎ ‎ ‎  故t=10s时,A、B、C的速度分别为0,2.5m/s,2.5m/s.‎ ‎ ‎ ‎  练习2 如图5所示,质量M=1kg的木板静止在粗糙的水平地面上,木板与地面间的动摩擦因数,在木板的左端放置一个质量m=1kg、大小可以忽略的铁块,铁块与木板间的动摩擦因数,取g=10m/s2,试求:‎ ‎ ‎ ‎ ‎ ‎  (1)若木板长L=1m,在铁块上加一个水平向右的恒力F=8N,经过多长时间铁块运动到木板的右端?‎ ‎ ‎ ‎  (2)若在铁块上施加一个大小从零开始连续增加的水平向右的力F,通过分析和计算后,请在图6中画出铁块受到木板的摩擦力f2随拉力F大小变化的图象。(设木板足够长)‎ ‎ ‎ ‎ ‎ ‎  (解答略)答案如下:(1)t=1s ‎ ‎ ‎  (2)①当F≤N时,A、B相对静止且对地静止,f2=F;‎ ‎ ‎ ‎  ②当2N6N时,A、B发生相对滑动,N.‎ ‎ ‎ ‎  画出f2随拉力F大小变化的图象如图7所示。‎ ‎ ‎ ‎ ‎ ‎  从以上几例我们可以看到,无论物体的运动情景如何复杂,这类问题的解答有一个基本技巧和方法:在物体运动的每一个过程中,若两个物体的初速度不同,则两物体必然相对滑动;若两个物体的初速度相同(包括初速为0),则要先判定两个物体是否发生相对滑动,其方法是求出不受外力F作用的那个物体的最大临界加速度并用假设法求出在外力F作用下整体的加速度,比较二者的大小即可得出结论。‎
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