Question

15．如圖1，質(zhì)量M=1kg的木板靜止在水平面上，質(zhì)量m=1kg大小可以忽略的鐵塊靜止在木板的右端．設(shè)最大摩擦力等于滑動摩擦力，已知木板與地面間的動摩擦因數(shù)μ₁=0.1，鐵塊與木板之間的動摩擦因數(shù)μ₂=0.4，取g=10m/s²．現(xiàn)給木板施加一個水平向右的力F．
（1）若力F恒為12N，經(jīng)2s鐵塊恰好位于木板的左端．求木板的長度L；
（2）若力F從零開始逐漸增加，且木板足夠長．試通過分析與計算，在圖2中作出鐵塊受到的摩擦力f隨力F大小變化的圖象．

Answer 1

分析 （1）根據(jù)牛頓第二定律分別求出鐵塊和木板的加速度，鐵塊相對木板的位移等于木板的長度時鐵塊滑到木板的左端，由位移公式求解木板的長度．
（2）若力F從零開始逐漸增加，根據(jù)F與木塊的最大靜摩擦力關(guān)系，以及鐵塊對木板的滑動摩擦力與木板所受地面的最大靜摩擦力，分析鐵塊的運動狀態(tài)，確定平衡條件或牛頓第二定律研究鐵塊所受的摩擦力．

解答 解：（1）對鐵塊，由牛頓第二定律：μ₂mg=ma₂             ①
對木板，由牛頓第二定律：F-μ₂mg-μ₁（M+m）g=ma₁        �、�
設(shè)木板的長度為L，經(jīng)時間t鐵塊運動到木板的左端，則：
s_木=$\frac{1}{2}$a₁t²                   ③
s_鐵=$\frac{1}{2}$a₂t²                   ④
又：s_木 -s_鐵=L    　     ⑤
聯(lián)立①②③④⑤解得：L=4m       ⑥
（2）（i）當F≤μ₁（M+m）g=2N 時，系統(tǒng)沒有被拉動，鐵塊受到的摩擦力f=0，
（ii）當F＞μ₁（M+m）g=2N時，如果M、m相對靜止，鐵塊與木板有相同的加速度a，則：F--μ₁（M+m）g=（M+m）a       ⑦
f=ma                       ⑧
解得：F=2f+2         ⑨
此時：f≤μ₂mg=4N，也即F≤10 N           ⑩
所以：當2N＜F≤10N 時，f=$\frac{1}{2}$（F-2）⑪
（iii）當F＞10 N時，M、m相對滑動，此時鐵塊受到的滑動摩擦力為f=4 N，圖象如圖所示．
答：（1）木板的長度為4m；
（2）鐵塊受到的摩擦力f隨力F大小變化的圖象如圖所示．

點評 本題主要考查了牛頓第二定律的應(yīng)用--板塊問題，第1題關(guān)鍵抓住兩個物體的位移與木板長度的關(guān)系．第2題根據(jù)F與最大靜摩擦力的關(guān)系，分析物體的運動狀態(tài)是關(guān)鍵，要進行討論．