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如图所示,斜面倾角为θ,一块质量为m、长为l的匀质板放在很长的斜面上,板的左端有一质量为M的物块,物块上连接一根很长的细绳,细绳跨过位于斜面顶端的光滑定滑轮并与斜面平行,开始时板的右端距离斜面顶端足够远.试求:
(1)若板与斜面间光滑,某人以恒力F竖直向下拉绳,使物块沿板面由静止上滑过程中,板静止不动,求物块与板间动摩擦因数μ0;
(2)在(1)情形下,求物块在板上滑行所经历的时间t0;
(3)若板与物块和斜面间均有摩擦,且M=m,某人以恒定速度数学公式,竖直向下拉绳,物块最终不滑离板的右端.试求板与物块间动摩擦因数μ1和板与斜面间动摩擦因数μ2必须满足的关系.

解:(1)分别对物块和木板受力分析并建立如图所示的直角坐标系,
对木块M:G1=Mg,则:F1=Mgcosθ,
又:M在Y轴方向受力平衡,
所以F3=F1=Mgcosθ.
又:f=μ0F1=μ0Mgcosθ
对板m:因为静止,所以X、Y方向分别受力平衡:
X轴方向:F5=G2sinθ=mgsinθ;f=μ0Mgcosθ;
所以:mgsinθ=μ0Mgcosθ;
得:
(2)设物块M的加速度为a0,物块Y方向合力为零,所以合力即为X轴上的合力:
X轴方向:F2=G1sinθ=Mgsinθ;f=μ0Mgcosθ;
所以:F合=F-Mgsinθ-μ0Mgcosθ
由牛顿第二定律:F=ma得:
F-Mgsinθ-μ0Mgcosθ=Ma0
即:a0=
又:带入数据得:
联立解得:
(3)设物块在板上滑行的时间为t1,板的加速度为a,
对板有:Y方向合力为零,所以合力即为X方向的合力:
X轴方向:f=μ1Mgcosθ;f1=μ2(M+m)gcosθ;F5=G2sinθ=mgsinθ
所以:F合=μ1Mgcosθ-mgsinθ-μ2(M+m)gcosθ
由牛顿第二定律:F=ma得:
μ1Mgcosθ-mgsinθ-μ2(M+m)gcosθ=ma①
且物块最终不滑离板的右端.说明物块和木板最终要达到相同的速度v:所以有:v=at1②
①②联立解得
又设物块从板的左端运动到右端的时间为t2,
则:

为使物块最终不滑离板的右端,必须满足 t1≤t2
即
代入解得:μ1-2μ2≥2tanθ
所以要使物块最终不滑离板的右端,μ1与μ2必须满足μ1-2μ2≥2tanθ
答:
(1)物块与板间动摩擦因数.
(2)在(1)情形下,求物块在板上滑行所经历的时间
(3)若板与物块和斜面间均有摩擦,且M=m,某人以恒定速度,竖直向下拉绳,物块最终不滑离板的右端.试求板与物块间动摩擦因数μ1和板与斜面间动摩擦因数μ2必须满足的关系为:μ1-2μ2≥2tanθ
分析:(1)物块沿板面由静止上滑过程中,板静止不动,可知板受力平衡,由受力平衡合外力为零可求得摩擦力,进一步可求得μ0.
(2)物块沿板面由静止上滑过程中,板静止不动,物块上滑,其受力都为恒力,可知其做匀加速直线运动,由牛顿第二定律可求出加速度a,再由:可求出需要的时间.
(3)物块最终不滑离板的右端.说明物块和木板最终要达到相同的速度v,表示出物块的加速度,求出其速度达到v用的时间t1;临界条件是到达木板上端时恰好达到v,求出此时所需时间t2,只需要让 t1≤t2即可.
点评:应用牛顿第二定律解题,关键是做好受力分析求出加速度,利用加速度把受力和物体的运动联系在一起.
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2v0tanθ
g
2v0tanθ
g
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2v02sinθ/gcosθ2
.

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A、10NB、20NC、40ND、60N

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