Question

【題目】在水平長直的軌道上，有一長度為L的平板車在外力控制下始終保持速度v0做勻速直線運(yùn)動(dòng)。某時(shí)刻將一質(zhì)量為m的小滑塊輕放到車面的中點(diǎn)，滑塊與車面間的動(dòng)摩擦因數(shù)為μ，此時(shí)調(diào)節(jié)外力，使平板車仍做速度為v0的勻速直線運(yùn)動(dòng)。

（1）若滑塊最終停在小車上，滑塊和車之間因?yàn)槟Σ廉a(chǎn)生的內(nèi)能為多少？（結(jié)果用m，v0表示）

（2）已知滑塊與車面間動(dòng)摩擦因數(shù)μ=0.2，滑塊質(zhì)量m=1kg，車長L=2m，車速v0=4m/s，取g=10m/s2，當(dāng)滑塊放到車面中點(diǎn)的同時(shí)對該滑塊施加一個(gè)與車運(yùn)動(dòng)方向相同的恒力F，要保證滑塊不能從車的左端掉下，恒力F大小應(yīng)該滿足什么條件？

（3）在（2）的情況下，力F取最小值，要保證滑塊不從車掉下，力F的作用時(shí)間應(yīng)該在什么范圍內(nèi)？

Answer 1

【答案】（1）（2）（3）

【解析】（1）根據(jù)牛頓第二定律，滑塊相對車滑動(dòng)時(shí)的加速度

滑塊相對車滑動(dòng)的時(shí)間

滑塊相對車滑動(dòng)的距離

滑塊與車摩擦產(chǎn)生的內(nèi)能

由上述各式解得（與動(dòng)摩擦因數(shù)μ無關(guān)的定值）

（2）設(shè)恒力F取最小值為F1，滑塊加速度為a1，此時(shí)滑塊恰好到達(dá)車的左端，則
滑塊運(yùn)動(dòng)到車左端的時(shí)間 ①

由幾何關(guān)系有 ②

由牛頓定律有 ③

由①②③式代入數(shù)據(jù)解得，

則恒力F大小應(yīng)該滿足條件是

（3）力F取最小值，當(dāng)滑塊運(yùn)動(dòng)到車左端后，為使滑塊恰不從右端滑出，相對車先做勻加速運(yùn)動(dòng)（設(shè)運(yùn)動(dòng)加速度為a2，時(shí)間為t2），再做勻減速運(yùn)動(dòng)（設(shè)運(yùn)動(dòng)加速度大小為a3）。到達(dá)車右端時(shí)，與車達(dá)共同速度。則有：

④

⑤

⑥

由④⑤⑥式代入數(shù)據(jù)解得

則力F的作用時(shí)間t應(yīng)滿足，即