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                   動(dòng)力學(xué)中的板塊問(wèn)題

[學(xué)習(xí)目標(biāo)] 1.建立板塊模型的分析方法.2.能運(yùn)用牛頓運(yùn)動(dòng)定律處理板塊問(wèn)題.

1.模型概述:一個(gè)物體在另一個(gè)物體上,兩者之間有相對(duì)運(yùn)動(dòng).問(wèn)題涉及兩個(gè)物體、多個(gè)過(guò)程,兩物體的運(yùn)動(dòng)速度、位移間有一定的關(guān)系.
2.解題方法
(1)明確各物體對(duì)地的運(yùn)動(dòng)和物體間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)情況,確定物體間的摩擦力方向.
(2)分別隔離兩物體進(jìn)行受力分析,準(zhǔn)確求出各物體在各個(gè)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的加速度(注意兩過(guò)程的連接處加速度可能突變).
(3)物體之間的位移(路程)關(guān)系或速度關(guān)系是解題的突破口.求解中應(yīng)注意聯(lián)系兩個(gè)過(guò)程的紐帶,即每一個(gè)過(guò)程的末速度是下一個(gè)過(guò)程的初速度.
3.常見的兩種位移關(guān)系
滑塊從木板的一端運(yùn)動(dòng)到另一端的過(guò)程中,若滑塊和木板同向運(yùn)動(dòng),則滑離木板的過(guò)程中滑塊的位移與木板的位移之差等于木板的長(zhǎng)度;若滑塊和木板相向運(yùn)動(dòng),滑離木板時(shí)滑塊的位移和木板的位移大小之和等于木板的長(zhǎng)度.
特別注意:運(yùn)動(dòng)學(xué)公式中的位移都是對(duì)地位移.
4.注意摩擦力的突變
當(dāng)滑塊與木板速度相同時(shí),二者之間的摩擦力通常會(huì)發(fā)生突變,由滑動(dòng)摩擦力變?yōu)殪o摩擦力或者消失,或者摩擦力方向發(fā)生變化,速度相同是摩擦力突變的一個(gè)臨界條件.

一、地面光滑的板塊問(wèn)題
如圖1所示,在光滑的水平地面上有一個(gè)長(zhǎng)為0.64 m、質(zhì)量為4 kg的木板A,在木板的左端有一個(gè)大小不計(jì)、質(zhì)量為2 kg的小物體 B,A、B之間的動(dòng)摩擦因數(shù)為μ=0.2,當(dāng)對(duì)B施加水平向右的力F=10 N時(shí),求:(g取10 m/s2)

圖1
(1)A、B的加速度各為多大?
(2)經(jīng)過(guò)多長(zhǎng)時(shí)間可將B從木板A的左端拉到右端?
答案 (1)1 m/s2 3 m/s2 (2)0.8 s
解析 (1)A、B間的摩擦力Ff=μmBg=4 N
以B為研究對(duì)象,根據(jù)牛頓第二定律得:
F-Ff=mBaB,
則aB==3 m/s2
以A為研究對(duì)象,根據(jù)牛頓第二定律得:
Ff′=mAaA,
由牛頓第三定律得Ff′=Ff
解得aA=1 m/s2.
(2)設(shè)將B從木板的左端拉到右端所用時(shí)間為t,A、B在這段時(shí)間內(nèi)發(fā)生的位移分別為xA和xB,其關(guān)系如圖所示

則有xA=aAt2
xB=aBt2
xB-xA=L
聯(lián)立解得t=0.8 s.
(2020·湘潭市高一期末)如圖2所示,物塊A、木板B的質(zhì)量分別為mA=5 kg,mB=10 kg,不計(jì)A的大小,木板B長(zhǎng)L=4 m.開始時(shí)A、B均靜止.現(xiàn)使A以水平初速度v0從B的最左端開始運(yùn)動(dòng).已知A與B之間的動(dòng)摩擦因數(shù)為0.3,水平地面光滑,g取10 m/s2.

圖2
(1)求物塊A和木板B發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)過(guò)程的加速度的大?。?br /> (2)若A剛好沒(méi)有從B上滑下來(lái),求A的初速度v0的大?。?br /> 答案 (1)3 m/s2 1.5 m/s2 (2)6 m/s
解析 (1)分別對(duì)物塊A、木板B進(jìn)行受力分析可知,A在B上向右做勻減速運(yùn)動(dòng),設(shè)其加速度大小為a1,則有
a1==3 m/s2
木板B向右做勻加速運(yùn)動(dòng),設(shè)其加速度大小為a2,則有
a2==1.5 m/s2.
(2)由題意可知,A剛好沒(méi)有從B上滑下來(lái),則A滑到B最右端時(shí)的速度和B的速度相同,設(shè)為v,則有
v=v0-a1t
v=a2t
位移關(guān)系:L=t-t
解得v0=6 m/s.

二、地面不光滑的板塊問(wèn)題
如圖3所示,物塊A、木板B的質(zhì)量均為m=10 kg,不計(jì)A的大小,木板B長(zhǎng)L=3 m.開始時(shí)A、B均靜止.現(xiàn)使A以水平初速度v0從B的最左端開始運(yùn)動(dòng).已知A與B、B與水平面之間的動(dòng)摩擦因數(shù)分別為μ1=0.3和μ2=0.1,g取10 m/s2.

圖3
(1)發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)時(shí),A、B的加速度各是多大?
(2)若A剛好沒(méi)有從B上滑下來(lái),則A的初速度v0為多大?
答案 (1)3 m/s2 1 m/s2 (2)2 m/s
解析 (1)分別對(duì)物塊A、木板B進(jìn)行受力分析可知,A在B上向右做勻減速運(yùn)動(dòng),設(shè)其加速度大小為a1,則有
a1==3 m/s2
木板B向右做勻加速運(yùn)動(dòng),設(shè)其加速度大小為a2,則有
a2==1 m/s2
(2)由題意可知,A剛好沒(méi)有從B上滑下來(lái),則A滑到B最右端時(shí)的速度和B的速度相同,設(shè)為v,則有:
時(shí)間關(guān)系:t==
位移關(guān)系:L=t-t
解得v0=2 m/s.
如圖4所示,質(zhì)量M=1 kg、長(zhǎng)L=4 m的木板靜止在粗糙的水平地面上,木板與地面間的動(dòng)摩擦因數(shù)μ1=0.1,在木板的左端放置一個(gè)質(zhì)量m=1 kg、大小可以忽略的鐵塊,鐵塊與木板上表面間的動(dòng)摩擦因數(shù)μ2=0.4,某時(shí)刻起在鐵塊上加一個(gè)水平向右的恒力F=8 N,g取10 m/s2,求:

圖4
(1)加上恒力F后鐵塊和木板的加速度大小;
(2)鐵塊經(jīng)多長(zhǎng)時(shí)間到達(dá)木板的最右端,此時(shí)木塊的速度多大?
(3)當(dāng)鐵塊運(yùn)動(dòng)到木板最右端時(shí),把鐵塊拿走,木板還能繼續(xù)滑行的距離.
答案 (1)4 m/s2 2 m/s2 (2)2 s 4 m/s (3)8 m
解析 (1)以鐵塊為研究對(duì)象,根據(jù)牛頓第二定律得
F-μ2mg=ma1,
以木板為研究對(duì)象,根據(jù)牛頓第二定律得
μ2mg-μ1(M+m)g=Ma2
代入數(shù)據(jù)解得鐵塊的加速度大小a1=4 m/s2
木板的加速度大小a2=2 m/s2
(2)設(shè)鐵塊運(yùn)動(dòng)到木板的最右端所用時(shí)間為t,
則此過(guò)程鐵塊的位移為x1=a1t2
木板的位移為x2=a2t2
兩者的位移關(guān)系為L(zhǎng)=x1-x2,
即L=a1t2-a2t2
代入數(shù)據(jù)解得t=2 s或t=-2 s(舍去)
此時(shí)木板的速度
v=a2t=4 m/s.
(3)拿走鐵塊后木板做勻減速運(yùn)動(dòng)的加速度大小為
a3=μ1g=0.1×10 m/s2=1 m/s2,
則木板還能繼續(xù)滑行的距離
x3== m=8 m.








訓(xùn)練1 地面光滑的板塊問(wèn)題

1.(多選)如圖1所示,質(zhì)量為m1的足夠長(zhǎng)木板靜止在光滑水平地面上,其上放一質(zhì)量為m2的木塊.t=0時(shí)刻起,給木塊施加一水平恒力F.分別用a1、a2和v1、v2表示木板、木塊的加速度和速度大小,下列圖中可能符合運(yùn)動(dòng)情況的是(  )

圖1

答案 AC
解析 木塊和木板可能保持相對(duì)靜止,一起做勻加速直線運(yùn)動(dòng),加速度大小相等,故A正確;木塊可能相對(duì)于木板向前滑動(dòng),即木塊的加速度a2大于木板的加速度a1,都做勻加速直線運(yùn)動(dòng),故B、D錯(cuò)誤,C正確.
2.(2020·寧夏育才中學(xué)高一上學(xué)期期末)如圖2所示,質(zhì)量為M=1 kg的足夠長(zhǎng)木板靜止在光滑水平面上,現(xiàn)有一質(zhì)量m=0.5 kg的小滑塊(可視為質(zhì)點(diǎn))以v0=3 m/s的初速度從左端沿木板上表面沖上木板,帶動(dòng)木板一起向前滑動(dòng).已知滑塊與木板間的動(dòng)摩擦因數(shù)μ=0.1,重力加速度g取10 m/s2.求:

圖2
(1)滑塊在木板上滑動(dòng)過(guò)程中,木板受到的摩擦力Ff的大小和方向;
(2)滑塊在木板上滑動(dòng)過(guò)程中,滑塊相對(duì)于地面的加速度a的大??;
(3)滑塊與木板達(dá)到的共同速度v的大?。?br /> 答案 (1)0.5 N 方向水平向右 (2)1 m/s2  (3)1 m/s
解析 (1)木板所受摩擦力為滑動(dòng)摩擦力:Ff=μmg=0.5 N,方向水平向右
(2)由牛頓第二定律得:μmg=ma
解得:a=1 m/s2
(3)以木板為研究對(duì)象,根據(jù)牛頓第二定律得:μmg=Ma′
可得出木板的加速度a′=0.5 m/s2
設(shè)經(jīng)過(guò)時(shí)間t,滑塊和木板達(dá)到共同速度v,則滿足:
對(duì)滑塊:v=v0-at
對(duì)木板:v=a′t
由以上兩式聯(lián)立解得:滑塊和木板達(dá)到的共同速度v=1 m/s.
3.如圖3所示,一質(zhì)量M=0.2 kg的長(zhǎng)木板靜止在光滑的水平地面上,另一質(zhì)量m=0.2 kg的小滑塊以v0=1.2 m/s的速度從長(zhǎng)木板的左端滑上長(zhǎng)木板,已知小滑塊與長(zhǎng)木板間的動(dòng)摩擦因數(shù)μ=0.4,g取10 m/s2,滑塊始終沒(méi)有滑離長(zhǎng)木板,求:

圖3
(1)經(jīng)過(guò)多長(zhǎng)時(shí)間,小滑塊與長(zhǎng)木板速度相等;
(2)從小滑塊滑上長(zhǎng)木板到小滑塊與長(zhǎng)木板相對(duì)靜止,小滑塊運(yùn)動(dòng)的距離為多少.
答案 (1)0.15 s (2)0.135 m
解析 (1)根據(jù)牛頓第二定律得
μmg=ma1
μmg=Ma2
解得a1=4 m/s2,a2=4 m/s2
小滑塊做勻減速運(yùn)動(dòng),而木板做勻加速運(yùn)動(dòng),根據(jù)運(yùn)動(dòng)學(xué)公式有v0-a1t=a2t
解得t=0.15 s.
(2)小滑塊與長(zhǎng)木板速度相等時(shí)相對(duì)靜止,從小滑塊滑上長(zhǎng)木板到兩者相對(duì)靜止,經(jīng)歷的時(shí)間為t=0.15 s,這段時(shí)間內(nèi)小滑塊做勻減速運(yùn)動(dòng),由x=v0t-a1t2,解得x=0.135 m.

4.(2020·廣東高一期末)如圖4甲所示,長(zhǎng)木板A靜止在光滑水平面上,另一物體B(可看作質(zhì)點(diǎn))以水平速度v0=3 m/s滑上長(zhǎng)木板A的上表面.由于A、B間存在摩擦,之后的運(yùn)動(dòng)過(guò)程中A、B的速度隨時(shí)間變化情況如圖乙所示.g取10 m/s2,下列說(shuō)法正確的是(  )

圖4
A.長(zhǎng)木板A、物體B所受的摩擦力均與運(yùn)動(dòng)方向相反
B.A、B之間的動(dòng)摩擦因數(shù)μ=0.5
C.長(zhǎng)木板A的長(zhǎng)度可能為L(zhǎng)=0.8 m
D.長(zhǎng)木板A的質(zhì)量是物體B的質(zhì)量的兩倍
答案 D
解析 由題意可得,長(zhǎng)木板A所受摩擦力方向與運(yùn)動(dòng)方向相同,物體B所受的摩擦力方向與運(yùn)動(dòng)方向相反,故A錯(cuò)誤;對(duì)B受力分析,由牛頓第二定律有:μmBg=mBaB,aB=||= m/s2=2 m/s2,解得:μ=0.2,故B錯(cuò)誤;物體B未滑出長(zhǎng)木板A,臨界條件為當(dāng)A、B具有共同速度時(shí),B恰好滑到A的右端,速度—時(shí)間圖線與時(shí)間軸圍成的面積表示位移,則:Lmin=xB-xA= m=1.5 m,故C錯(cuò)誤;對(duì)A受力分析,有:μmBg=mAaA,aA== m/s2=1 m/s2,聯(lián)立解得:=2,故D正確.
5.(多選)如圖5甲所示,長(zhǎng)木板B固定在光滑水平面上,可視為質(zhì)點(diǎn)的物體A靜止疊放在B的最左端.現(xiàn)用F=6 N的水平力向右拉A,經(jīng)過(guò)5 s A運(yùn)動(dòng)到B的最右端,且其v-t圖像如圖乙所示.已知A、B的質(zhì)量分別為1 kg、4 kg,A、B間的最大靜摩擦力等于滑動(dòng)摩擦力,g取10 m/s2.下列說(shuō)法正確的是(  )

圖5
A.A的加速度大小為0.5 m/s2
B.A、B間的動(dòng)摩擦因數(shù)為0.4
C.若B不固定,B的加速度大小為1 m/s2
D.若B不固定,A運(yùn)動(dòng)到B的最右端所用的時(shí)間為5 s
答案 BCD
解析 根據(jù)v-t圖像可知,物體A的加速度大小為:
aA== m/s2=2 m/s2,故A錯(cuò)誤;
以A為研究對(duì)象,根據(jù)牛頓第二定律可得:
F-μmAg=mAaA
代入數(shù)據(jù)得:μ=0.4,故B正確;
若B不固定,B的加速度大小為:
aB== m/s2=1 m/s2,故C正確;
由題圖乙知,木板B的長(zhǎng)度為:
l=×5×10 m=25 m;
若B不固定,設(shè)A運(yùn)動(dòng)到B的最右端所用的時(shí)間為t,根據(jù)題意可得:
aAt2-aBt2=l
代入數(shù)據(jù)解得:t=5 s
故D正確.
6.如圖6所示,有一塊木板A靜置在光滑且足夠大的水平地面上,木板質(zhì)量M=4 kg,長(zhǎng)L=2 m,木板右端放一小滑塊B并處于靜止?fàn)顟B(tài),小滑塊質(zhì)量m=1 kg,其尺寸遠(yuǎn)小于L.小滑塊與木板之間的動(dòng)摩擦因數(shù)為μ=0.4.(設(shè)最大靜摩擦力等于滑動(dòng)摩擦力,g取10 m/s2)

圖6
(1)現(xiàn)用恒力F始終作用在木板A上,為了讓小滑塊B不從木板A上滑落,求恒力F大小的范圍;
(2)其他條件不變,若恒力F大小為24 N,且始終作用在木板A上,求小滑塊B滑離木板A時(shí)的速度大?。?br /> 答案 (1)F≤20 N (2)8 m/s
解析 (1)為了使小滑塊B不從木板A上滑落,設(shè)A、B相對(duì)靜止時(shí)的最大加速度為am,對(duì)B有:μmg=mam
對(duì)A、B整體有:Fm=(M+m)am
解得:Fm=20 N
即當(dāng)F≤20 N時(shí)小滑塊B不從木板A上滑落.
(2)當(dāng)F=24 N時(shí),A、B發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)
此時(shí),對(duì)B:μmg=maB
對(duì)A:F-μmg=MaA
設(shè)B在A上滑行的時(shí)間為t,有:
L=aAt2-aBt2
B滑離木板A時(shí)的速度v=aBt
聯(lián)立解得:v=8 m/s.


7.質(zhì)量M=3 kg的長(zhǎng)木板放在光滑的水平面上,在水平拉力F=11 N的作用下由靜止開始向右運(yùn)動(dòng).如圖7所示,當(dāng)木板速度達(dá)到1 m/s時(shí),將質(zhì)量m=4 kg的物塊輕輕放到木板的右端.已知物塊與木板間的動(dòng)摩擦因數(shù)μ=0.2,物塊可視為質(zhì)點(diǎn).求:(g取10 m/s2)

圖7
(1)物塊剛放在木板上時(shí),物塊和木板的加速度大??;
(2)木板至少多長(zhǎng),物塊才能與木板最終保持相對(duì)靜止;
(3)物塊與木板相對(duì)靜止后,物塊受到的摩擦力的大?。?br /> 答案 (1)2 m/s2 1 m/s2 (2)0.5 m (3) N
解析 (1)放上物塊后,物塊的加速度a1==μg=2 m/s2,
木板的加速度a2==1 m/s2.
(2)木板和物塊達(dá)到共同速度后保持相對(duì)靜止,
故a1t=v0+a2t,
解得t=1 s,
1 s內(nèi)物塊位移x1=a1t2=1 m,
木板位移x2=v0t+a2t2=1.5 m,
所以木板長(zhǎng)度至少為L(zhǎng)=x2-x1=0.5 m.
(3)物塊與木板相對(duì)靜止后,對(duì)整體,有F=(M+m)a,
對(duì)物塊,有Ff=ma,
故Ff== N.
訓(xùn)練2 地面不光滑的板塊問(wèn)題(選練)
1.質(zhì)量為m0=20 kg、長(zhǎng)為L(zhǎng)=5 m的木板放在水平地面上,木板與水平地面間的動(dòng)摩擦因數(shù)為μ1=0.15.質(zhì)量為m=10 kg的小鐵塊(可視為質(zhì)點(diǎn)),以v0=4 m/s的速度從木板的左端水平?jīng)_上木板(如圖1所示),小鐵塊與木板間的動(dòng)摩擦因數(shù)為μ2=0.4(最大靜摩擦力等于滑動(dòng)摩擦力,g=10 m/s2).則下列判斷正確的是(  )

圖1
A.木板一定靜止不動(dòng),小鐵塊不能滑出木板
B.木板一定靜止不動(dòng),小鐵塊能滑出木板
C.木板一定向右滑動(dòng),小鐵塊不能滑出木板
D.木板一定向右滑動(dòng),小鐵塊能滑出木板
答案 A
解析 木板與地面間的最大靜摩擦力為Ff1=μ1(m0+m)g=45 N,小鐵塊與木板之間的最大靜摩擦力為Ff2=μ2mg=40 N,F(xiàn)f1>Ff2,所以木板一定靜止不動(dòng);假設(shè)小鐵塊未滑出木板,在木板上滑行的距離為x,則v02=2μ2gx,解得x=2 m

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