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

如图所示,质量$m_{C}=7.0\;\rm kg$的长木板$C$置于水平桌面上,质量$m_{B}=14.0\;\rm kg$的滑块$B$(可视为质点)置于木板$C$的最左端,轻绳一端跨过定滑轮与质量$m_{A}=10\;\rm kg$的物块$A$连接,定滑轮和滑块$B$间轻绳水平。初始时在外力作用下$A$静止在距地面高度$H=1.5\;\rm m$位置且$AB$间的轻绳自然伸直。已知$B$$C$间的动摩擦因数$\mu _{1}=0.2$$C$与桌面间的动摩擦因数$\mu _{2}=0.1$$A$与地面碰撞后不反弹,$C$不会与滑轮相碰。已知最大静摩擦力等于滑动摩擦力,忽略空气阻力,重力加速度$g$$10\;\rm m/s^{2}$。某时刻释放$A$

$A$落地前瞬间$B$$C$的速度大小;

[["

$3\\;\\rm m/s$$1\\;\\rm m/s$

"]]

由静止释放$A$,假设$B$$C$有相对运动,对$A$$B$分析,根据牛顿第二定律得$m_{A}g − \mu _{1}m_{B}g=(m_{A}+m_{B})a_{1}$

$C$分析,根据牛顿第二定律得$\mu _{1}m_{B}g − \mu _{2}(m_{C}+m_{B})g=m_{C}a_{2}$

解得$a_{1}=3\;\rm m/s^{2}$$a_{2}=1\;\rm m/s^{2}$

因为$a_{1} \gt a_{2}$,假设成立;$A$向下运动高度$H$时有$H=\dfrac{1}{2}a_{1}t_{1}^{2}$

解得$t_{1}=1\;\rm s$

$A$落地前瞬间$B$$C$的速度大小分别为$v_{1}=a_{1}t_{1}=3\;\rm m/s$,$v_{2}=a_{2}t_{1}=1\;\rm m/s$

为了使$B$不从$C$上滑落,求$C$的最小长度;

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$\\dfrac{5}{3}\\text{m}$

"]]

作出$B$$C$运动的$v − t$图像如图所示,$t_{1}=1\;\rm s$$C$加速度不变,继续加速,$B$做匀减速直线运动,根据牛顿第二定律得$a_{3}=\mu _{1}g=2\;\rm m/s^{2}$

又经过$t_{2}$时间$B$$C$共速,根据运动学公式有$v_{1} − a_{3}t_{2}=v_{2}+a_{2}t_{2}$

解得$t_{2}=\dfrac{2}{3}\text{s}$

此时速度大小$v_{3}=\dfrac{5}{3}\text{m}/\text{s}$

设此后$BC$一起运动,二者匀减速运动的加速度大小$a_{3}=\mu _{2}g=1\;\rm m/s^{2}$

此时$BC$之间的静摩擦力小于最大静摩擦力,因此假设成立。

综上$C$长度最小值$L=\dfrac{1}{2}\left( a_{1}-a_{2} \right)t_{1}^{2}+\dfrac{1}{2}\left( v_{1}-v_{2} \right)t_{2}=\dfrac{5}{3}\text{m}$

$C$的右端恰运动到桌子右边缘,求初始时$C$的右端到桌子右边缘的距离。(结果均可用分数表示)

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$\\dfrac{25}{9}\\text{m}$

"]]

为使$C$右端恰运动到桌子右边缘,$C$的右端到桌子右边缘的距离为$C$全过程的位移$s=2 \cdot \dfrac{1}{2}a_{2}\left( t_{1}+t_{2} \right)^{2}=\dfrac{25}{9}\text{m}$

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