高中 | 连接体问题 题目答案及解析

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必修1

第四章 牛顿运动定律

4.6 用牛顿运动定律解决问题(一)

连接体问题

如图甲所示,倾角为$\alpha=37^\circ$的足够长粗糙斜面固定在水平地面上,物块$A$$B$通过不可伸长的轻绳绕过光滑轻质定滑轮连接,静止时物体$A$处于$P$点且与斜面刚好无摩擦力。$t=0$时刻给物块$A$一个沿斜面向上的初速度,$t=0$$t=0.2\;\rm s$内物块$A$速度随时间变化情况如图乙所示。物块$A$$B$均可视为质点,物块$B$距地面足够高,已知最大静摩擦力等于滑动摩擦力,$\sin37^\circ=0.6$$\cos37^\circ=0.8$,重力加速度$g$$10\;\rm m/s^{2}$,则$(\qquad)$

["

物块$A$$B$的质量之比为$5:3$

","

物块$A$与斜面之间的动摩擦因数$\\mu =0.4$

","

物体$B$下落的最大高度为$2\\;\\rm m$

","

物体$B$下落的最大高度为$1.25\\;\\rm m$

"]
[["AD"]]

$\rm A$.设$A$的质量为$m_{A}$$B$的质量为$m_{B}$,根据题意可知静止时物体$A$处于$P$点且与斜面刚好无摩擦力,则由平衡条件可得$m_{A}g\sin 37^\circ =m_{B}g$

解得$m_{A}:m_{B}=5:3$

$\rm A$正确;

$\rm B$.由图乙可得物体$A$的加速度大小为$a=\dfrac{\Delta v}{\Delta t}=\dfrac{4.0-2.0}{0.2}\ \text{m/s}^{\text{2}}=10\;\rm \text{m/s}^{\text{2}}$

物块$A$沿着斜面向上运动的过程中物块$B$做自由落体运动,$0.2\;\rm s$末的速度设为$v_{B}$,则有$v_{B}=gt=10 \times 0.2\;\rm m/s=2\;\rm m/s$

可知在$0.2\;\rm s$末物块$A$和物块$B$达到共速,在此过程中物块$A$的速度始终大于物块$B$的速度,因此连接$A$$B$的绳子上拉力为零,由牛顿第二定律可得$\mu m_{A}g\cos 37^\circ +m_{A}g\sin 37^\circ =m_{A}a$

解得$\mu =0.5$

$\rm B$错误;

$\rm CD$$0\sim 0.2\;\rm s$内,$A$沿斜面上滑位移为$x_{A1}=\dfrac{v_{0}+v_{1}}{2}t_{1}=\dfrac{4+2}{2} \times 0.2\;\rm \text{m}=0.6\;\rm \text{m}$

$B$自由下落高度为$x_{B1}=\dfrac{1}{2}g{t_{1}}^{2}=0.2\;\rm \text{m}$

二者沿绳子方向距离缩小了$\Delta x=x_{A1}-x_{B1}=0.4\;\rm m$

设再经过$t_{2}$时间轻绳再次拉直,则对$A$,有$x_{A2}=v_{1}t_{2}-\dfrac{1}{2}at_{2}^{2}$

$v_{A2}=v_{1}-at_{2}^{}$

$B$,有$x_{B2}=v_{1}t_{2}+\dfrac{1}{2}g{t_{2}}^{2}$

$v_{B2}=v_{1}+gt_{2}^{}$

$x_{B2}-x_{A2}=\Delta x=0.4\;\rm m$

联立可得$t_{2}=0.2\;\rm s$$x_{B2}=0.6\;\rm m$$v_{A2}=0$$v_{B2}=4\;\rm m/s$

$0.4\;\rm s$末轻绳绷紧,系统内轻绳拉力大小远大于两物体的重力及摩擦力大小,设轻绳拉力瞬间冲量为$I$,绷紧后二者速度大小为$v$,对$A$$B$分别有

$I=m_{A}v-0$$−I=m_{B}v-m_{B}v_{B2}$

解得$v=1.5\;\rm m/s$

绷紧后一起做匀减速直线运动,由牛顿第二定律$m_{A}g\sin \alpha+\mu m_{A}g\cos \alpha-m_{B}g=(m_{A}+m_{B})a'$

解得$a'=2.5\;\rm m/s^{2}$

$B$,减速阶段位移为$x_{B3}=\dfrac{v^{2}}{2a'}=\dfrac{{1.5}^{2}}{2 \times 2.5}\ \text{m}=0.45\;\rm \text{m}$

物体$B$下落的最大高度为$H=x_{B1}+x_{B2}+x_{B3}=1.25\;\rm m$

$\rm C$错误,$\rm D$正确。

故选:$\rm AD$

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