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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,固定的倾斜木板上,有物块$A$、$B$(均可视为质点)通过不可伸长的轻绳跨过定滑轮连接,$A$、$B$间的接触面和轻绳均与木板平行。物块$A$、$B$质量分别为$3m$和$m$,$A$与$B$间、$B$与木板间的动摩擦因数相等,设最大静摩擦力等于滑动摩擦力。木板与水平面的夹角为$45^\circ $,重力加速度为$g$。

求倾斜木板对物块$B$的支持力大小;
$F=2\\sqrt{2}mg$;
"]]对物块$A$、$B$整体受力分析有$F=4mg\cos45^\circ $
$F=2\sqrt{2}mg$;
若物块$A$恰好不向下滑动,求物块$A$与$B$间的动摩擦因数;
$\\mu =0.2$;
"]]当物块$A$恰好不下滑时,此时物块$B$恰好不上滑,设$A$、$B$间的弹力大小为$F_{N1}$,$B$与斜面间的弹力大小为$F_{N2}$,对物块$A$受力分析,得
沿斜面方向受力平衡有$3mg\sin 45^\circ =\mu F_{N1}+T$
垂直斜面方向受力平衡有$F_{N1}=3mg\cos 45^\circ $
对物块$B$受力分析,得
沿斜面方向受力平衡有$mg\sin 45^\circ +\mu F_{N1}+\mu F_{N2}=T$
垂直斜面方向受力平衡有$mg\cos 45^\circ +F_{N1}=F_{N2}$
联立解得$\mu =0.2$;
若对物块$A$施加平行轻绳的力$F$,要使物块$A$、$B$都静止,接触面间动摩擦因数为$\mu $,求$F$的最大值$F_\rm{m}$与$\mu $的函数关系。
当$\\mu \\lt \\dfrac{1}{7}$时,$F_{\\rm{m1}}=\\sqrt{2}mg(1+ 5\\mu)$;当$\\dfrac{1}{7} \\leqslant \\mu \\lt \\dfrac{5}{7}$时,$F_{\\rm{m2}}= \\dfrac{3\\sqrt{2}}{2}(\\mu+1)mg$;当$\\mu =\\dfrac{5}{7}$时,$F_{\\rm{m2}}= \\dfrac{3\\sqrt{2}}{2}(\\mu+1)mg$或$F_{\\rm{m3}}=\\sqrt{2}(5\\mu- 1)mg$;当$\\mu \\gt \\dfrac{5}{7}$时,$F_{\\rm{m3}}= \\sqrt{2}(5\\mu-1)mg$。
"]]当动摩擦因数较小时,最大的力$F_\rm{m1}$为沿斜面向上推物块$A$时且物块$A$恰好不上滑物块$B$恰好不下滑。对物块$A$经受力分析沿斜面方向受力平衡有$F_{\rm m1}+T'=3mg\sin 45^\circ+\mu F_{N1}$
对物块$B$经受力分析沿斜面方向受力平衡有$T'+\mu F_{N1}+\mu F_{N2}=mg\sin 45^\circ$
其中$F_{N1}=3mg\cos 45^\circ$
$F_{N2}=4mg\cos 45^\circ$
联立解得$F_{\rm{m1}}=\sqrt{2}mg(1+5\mu)$
当动摩擦因数较大,$F$沿木板向上推物块$A$时$A$恰不上滑,物块$B$不向下滑动且细绳弯曲,对$B$受力分析沿斜面方向受力平衡有$\mu F_{N1}+f_{斜}=mg\sin45^\circ $
$f_{斜} \leqslant f_{斜\max}$
$f_{斜\max}=4\mu mg\cos45^\circ $
解得$\mu \geqslant \dfrac{1}{7}$
其中一种情况是$F_\rm{m2}$沿斜面向上推物块$A$时且物块$A$恰好不上滑,物块$B$不动且细绳弯曲。对$A$此时受力分析沿斜面方向受力平衡得$F_{\rm m2}=\mu F_{N1}+3mg\sin45^\circ $
得$F_{\rm m2}=\dfrac{3\sqrt{2}}{2}(\mu+1)mg$
一种情况是$F_\rm{m3}$沿斜面向下推物块$A$时且物块$A$恰好不下滑,物块$B$恰好不上滑。分别对$A$、$B$受力分析沿斜面方向均受力平衡有$F_{\rm m3}+3mg\sin 45^\circ=T+\mu F_{N1}$
$mg\sin 45^\circ+\mu F_{N1}+f_{斜}=T$
其中$f_{斜}=4\mu mg\cos45^\circ $
得$F_{\rm m3}=\sqrt{2}(5\mu-1)mg$
若$F_{\rm m3} \gt F_{\rm m2}$
则有$\mu \gt \dfrac{5}{7}$
综上分析:当$\mu \lt \dfrac{1}{7}$时,最大值为$F_{\rm{m1}}=\sqrt{2}mg(1+5\mu)$
当$\dfrac{1}{7} \leqslant \mu \lt \dfrac{5}{7}$时,最大值为$F_{\rm{m2}}=\dfrac{3\sqrt{2}}{2}(\mu+1)mg$
当$\mu=\dfrac{5}{7}$时,最大值为
$F_{\rm{m2}}=\dfrac{3\sqrt{2}}{2}(\mu+1)mg$或$F_{\rm{m3}}=\sqrt{2}(5\mu-1)mg$
当$\mu \gt \dfrac{5}{7}$时,最大值为$F_{\rm{m3}}=\sqrt{2}(5\mu-1)mg$。
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