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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)
斜面问题
如图所示,水平面是光滑的,一足够长的木板置于水平面上,木板上放一斜面体,木板与斜面体间的动摩擦因数为$\mu $,斜面体倾角$\theta=53^\circ$,一细绳一端系在斜面体顶端,另一端拴接一可视为质点的小球,细绳平行于斜面,已知小球、斜面体、木板质量均为$1\;\rm kg$,$g=10\;\rm m/s^{2}$,设最大静摩擦力等于滑动摩擦力,现对木板施加一水平向右的拉力$F$,下列说法正确的是$(\qquad)$
若$\\mu =0.2$,当$F=4\\;\\rm N$时,木板相对斜面体向右滑动
","若$\\mu =0.5$,不论$F$多大,小球均能和斜面体保持相对静止
","若$\\mu =0.8$,当$F=22.5\\;\\rm N$时,小球对斜面体的压力不为$0$
","若$\\mu =0.8$,当$F=26\\;\\rm N$时,细绳对小球的拉力为$2\\sqrt{41}\\;\\rm N$
"]$\rm A$.若$\mu =0.2$,当$F=4\;\rm N$时,假设板、斜劈、球三者相对静止,则对板、斜劈、球构成的系统有$F=3ma$
代入数据解得$a=\dfrac{4}{3}\;\rm m/s^{2}$
对斜劈和球构成的系统,若斜劈与板之间的摩擦力达到最大静摩擦力,有$\mu(m+m)g=(m+m)a_{球}$。
代入数据解得$a_{球}=2\;\rm m/s^{2}\gt a$
因此此时木板相对于斜劈静止,故$\rm A$错误;
$\rm B$.若$\mu =0.5$,假设斜劈与球保持相对静止,则对斜劈与球构成的系统,最大加速度为$\mu (m+m)g=(m+m)a_{球}$。
代入数据得$a=5\;\rm m/s^{2}$
当球刚好要离开斜劈时,受到重力和绳子拉力作用,有$\dfrac{mg}{\tan53{^\circ}}=ma_{球}$
代入数据解得$a_{球}=7.5\;\rm m/s^{2}\gt a$
因此不论$F$多大,斜面体与小球之间的摩擦足以抵抗任何外力,所以小球均能和斜劈保持相对静止,故$\rm B$正确;
$\rm C$.若$\mu =0.8$,假设板、球和斜劈相对静止,则球和斜劈构成的系统能够获得的最大加速度为为$\mu(m+m)g=(m+m)a_{球}$
代入数据得:$a_{球}=8\;\rm m/s^{2}$
此时对板、球和斜劈构成的系统,有$F_{临界}=(m+m+m)a_{球}=(1+1+1)\times 8\;\rm N=24\;\rm N$
当$F=22.5\;\rm N$时,板、球和斜劈相对静止,有$a=\dfrac{F}{3m}=\dfrac{22.5}{3 \times 1}\;\rm m/s^{2}=7.5\;\rm m/s^{2}$
又由$\rm B$选项可知此时球刚好要离开斜劈,小球对斜面体的压力为$0$,故$\rm C$错误;
$\rm D$.若$\mu =0.8$,$F=26\;\rm N\gt 24\;\rm N$时,通过以上的分析可知此时木板与斜面体产生相对滑动,此时斜面与小球的加速度大小为$8\;\rm m/s^{2}$,小球离开斜面体,则对小球细绳的拉力:$T=\sqrt{(mg)^{2}+(ma)^{2}}=\sqrt{10^{2}+8^{2}}\;\rm N=2\sqrt{41}\;\rm N$
此时,小球受到斜面体的摩擦力和细绳的拉力的作用,细绳对小球的拉力为$2\sqrt{41}\;\rm N$。
故$\rm D$正确。
故选:$\rm BD$。
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