高中 | 力的合成 题目答案及解析

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必修1

第三章 相互作用

3.4 力的合成

力的合成

如图所示,一个磁性黑板擦吸附在竖直黑板上,处于静止状态。已知板擦的质量为$0.2\ \text{kg}$,板擦与黑板之间的相互吸引力是$10\ \text{N}$,滑动摩擦因数为$\mu =\dfrac{\sqrt{2}}{5}$,设滑动摩擦力等于最大静摩擦力。在竖直平面内建立坐标,水平向右为$x$轴正方向,竖直向上为$y$轴正方向。

 

求黑板对板擦摩擦力的大小和方向;

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黑板对板擦摩擦力的大小为$2\\ \\text{N}$,方向竖直向上;

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板擦处于静止状态,受力平衡,竖直方向:$f=mg=0.2\times 10\ \text{N}=2\ \text{N}$

方向竖直向上;

若对板刷施加一个沿$y$轴负方向、大小为${{F}_{1}}=1.0\ \text{N}$的恒力,请判断恒力作用后板擦的运动状态(“仍然静止”或“发生滑动”),并求出此时板擦所受摩擦力的大小与方向;

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恒力作用后板擦发生滑动,板擦所受摩擦力的大小为$2\\sqrt{2}\\ \\text{N}$,方向竖直向上;

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板擦与黑板间的最大静摩擦力${{f}_{\text{m}}}=\mu N=\dfrac{\sqrt{2}}{5}\times 10\ \text{N}=2\sqrt{2}\ \text{N}$

若对板刷施加一个沿$y$轴负方向、大小为${{F}_{1}}=1.0\ \text{N}$的恒力,竖直方向,重力和恒力的合力大小为${{F}_{合}}=mg+{{F}_{1}}=0.2\times 10\ \text{N}+1\ \text{N}=3\ \text{N}\gt {{f}_{\text{m}}}$

物体发生滑动,所受摩擦力为滑动摩擦力,大小为${{f}_{1}}={{f}_{\text{m}}}=2\sqrt{2}\ \text{N}$

方向竖直向上;

若对板刷施加一个沿$x$轴负方向、大小为${{F}_{2}}=1.5\ \text{N}$的恒力,请判断恒力作用后板擦的运动状态(“仍然静止”或“发生滑动”),并求出此时板擦所受摩擦力的大小与方向。

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恒力作用后板擦发生滑动,板擦所受摩擦力的大小为$2\\sqrt{2}\\ \\text{N}$,方向与水平方向夹角为$53{}^\\circ $斜向右上。

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若对板刷施加一个沿$x$轴负方向、大小为${{F}_{2}}=1.5\ \text{N}$的恒力,竖直方向,重力和恒力的合力大小为$F{{'}_{合}}=\sqrt{{{(mg)}^{2}}+F_{2}^{2}}=\sqrt{{{(0.2\times 10)}^{2}}+{{1.5}^{2}}}\ \text{N}=2.5\ \text{N}\gt {{f}_{\text{m}}}$

设合力与水平方向夹角为$\theta $,则$\tan \theta =\dfrac{mg}{{{F}_{2}}}=\dfrac{0.2\times 10}{1.5}=\dfrac{4}{3}$

$\theta =53{}^\circ $

物体发生滑动,所受摩擦力为滑动摩擦力,大小为${{f}_{1}}={{f}_{\text{m}}}=2\sqrt{2}\ \text{N}$

方向与运动方向相反,即与合外力方向相反,与水平方向夹角为$53{}^\circ $斜向右上。

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