高中 | 静态平衡 题目答案及解析

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必修1

第四章 牛顿运动定律

4.7 用牛顿运动定律解决问题(二)

静态平衡

如图所示,物块$A$放在台式测力计上,通过跨过定滑轮的轻绳与物块$B$相连,$B$下端与一轻质弹簧相连,弹簧的下端与地面接触(未拴接),整个系统处于平衡状态,此时台式测力计的示数为$8.8\;\rm N$;已知$m_{A}=2m_{B}=1\;\rm kg$,物块$A$$B$间的水平距离$s=20\;\rm cm$,倾斜绳与水平方向的夹角$\theta=37^\circ$(滑轮右侧绳竖直),物块$A$与台式测力计间动摩擦因数$\mu =0.5$,最大静摩擦力等于滑动摩擦力,$A$$B$和滑轮视为质点,不计滑轮质量和滑轮处摩擦,弹簧一直在弹性限度内,$g$$10\;\rm m/s^{2}$(已知$\sin37^\circ=0.6$$\cos37^\circ=0.8$$\cos^{2}\theta+\sin^{2}\theta=1$)。

求物块$A$受到的摩擦力和绳对物块$A$的拉力;

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$T=2\\;\\rm N$$f=1.6\\;\\rm N$

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由台式测力计的示数知物块$A$此时所受的支持力$F_{N}=8.8\;\rm N$,物块$A$受力示意图如图所示。

根据平衡条件可知$T\cos37^\circ-f=0$$F_{N}+T\sin37{^\circ}-m_{A}g=0$

解得$T=2\;\rm N$$f=1.6\;\rm N$

沿竖直方向调整滑轮的高度至某一位置时,物块$A$刚好运动,且此时弹簧刚好离开地面,求滑轮移动的距离和弹簧的劲度系数(整个过程中台式测力计的水平台高度不变)。

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$\\Delta h=\\dfrac{\\text{35}}{\\text{3}}\\;\\text{cm}$$k=15\\;\\rm N/m$

"]]

分析可知,此时弹簧恢复原长,弹力为零;对$B$进行受力分析,有$T_{1}-m_{B}g=0$

$T_{1}=5\;\rm N$

设此时轻绳与水平方向夹角为$\theta'$,对$A$

$T'_{1}\cos\theta'-f_{m}=0$$F_{N1}+T'_{1}\sin\theta'-m_{A}g=0$

$f_{m}=\mu F_{N1}$$T_{1}=T'_{1}$

解得$\sin\theta^{^\prime}=0.8$$\cos\theta^{^\prime}=0.6$

滑轮上升的高度$\Delta h=s\tan\theta'-s\tan\theta=\dfrac{\text{35}}{\text{3}}\;\text{cm}$

由分析知,右端绳缩短$\Delta l=\dfrac{s}{\cos\theta'}-\dfrac{s}{\cos\theta}=\dfrac{\text{25}}{\text{3}}\;\text{cm}$

由几何关系可知,弹簧伸长量$\Delta x=\Delta h+\Delta l=20\;\rm cm$

结合($1$)问,对$B$进行受力分析,初始时刻弹簧处于压缩状态,弹力为$3\;\rm N$;弹簧刚好离开地面时,弹簧恢复原长,弹力为零,所以$k=\dfrac{\Delta F}{\Delta x}=\dfrac{{3\;\rm N}}{{20\;\rm cm}}=15\;\rm N/m$

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