如图所示,一高h=1.25m、质量$m_b=2kg$的木块B,在一水平向右的恒力F=3N作用下,在水平地面上向右运动。现将一质量$m_a=1kg$(可视为质点)的小滑块A轻轻静置(相对地面的速度为零)于木块B上距B左端b=1.00m的水平面上,一段时间后A从B上滑落,A刚离开B的时刻,B向右运动的距离$x_0=1.5m$,已知A与B间的动摩擦因数,B与水平地面间的动摩擦因数均为μ=0.10,$g=10m/s^2$(结果均保留2位有效数字)。
说明:
这是一个看似简单的题目,但是大多数学生都不能完全作对,分析来分析去,
第一、我们对动量的直觉不够敏感,把那种对相等力的冲量直觉变成准确的直觉。
第二担心自己的计算力,这需要隔三差五就练习一遍,并没有所谓的天才都是孰能生巧,聪明的人会敢于挑战,不聪明的直接放弃。
解析过程
简单的分析a、b的受力可以得到各自的加速度,然后用加速和时间去算,发现有太多未知量,只能放弃。
$u(m_a+m_b)g=3N$
$0.1(1kg+2kg)10m/s^2=3N$
当a放到b上,b的摩擦力始终和恒力大小相等方向相反,所以恒力对b速度的影响不变。
所以ab相对滑动的过程整体动量守恒,这样就可以降低难度了。
数据: $m_a=1kg $、$x_0=1.5m$ 、 μ=0.10 、b=1m、 F=3N、 $x_0=1.5m$
假设: $v_0$是b的碰撞的初始速度 ,$v_b$是ab分离时b的速度。$x_a$是a相对于地面的位移,$x_0=1.5m$是b相对于地面的位移
a的方程式
$m_b v_0=m_b v_b+ m_a v_a$ …… ①
$um_agx_a=\frac{1}{2}m_av_a^2$ ……②
$um_agx_0=\frac{1}{2}m_bv_0^2-\frac{1}{2}m_bv_b^2$ …..③
$x_a=x_0-b$ …….④
方程列好后,别着急计算,检查一遍,看看字母有没有带错,数据有没有问题,各个物理量之间的关系对不对,我就理解错了$x_a$的意思,浪费了很多时间。
然后找最容易下手的地方去计算。
先从$x_a=x_0-b$ ,这里下手,发现$x_a=0.5m$
带入方程②,得到$um_agx_a=\frac{1}{2}m_av_a^2$ ,$0.1\times10 \times0.5=\frac{1}{2}1v_a^2$
$v_a=1m/s$
③中的$x_0$的理解是关键,因为恒力和b的摩擦力相等,对运动的改变抵消了,所以才成立的。
$v_a=1$带入 ①,然后联立③
$2\times v_0 = 2v_b+1$ …..⑤
$um_agx_0=\frac{1}{2}m_bv_0^2-\frac{1}{2}m_bv_b^2$
$1\times 1.5=\frac{1}{2}2v_0^2-\frac{1}{2}2v_b^2$, 之所以这样拍板,就是想让学生数据对齐。
$ 1.5=v_0^2-v_b^2$ …..⑥
⑤⑥联立 高中阶段这是一种非常常见的方法,要数量掌握,尤其是动量。
$v_0 -v_b =\frac {1}{2}$
$(v_0-v_b)(v_0+v_b)=\frac{3}{2}$
解得
$v_o=1.75m/s$
$v_b=1.25m/s$ a离开b时b的速度
$ h= \frac{1}{2}g t^2 $ ,$ 1.25= \frac{1}{2}10 t^2 $ t=0.5s
$xa”=v_a\times 0.5=0.5m$
a离开b后,b减速运动,因为减速是冲量引起
$ (F – um_b g)t=m_b v_b^“ – m_bv_b$
$v_b^”=1.5m/s$
$x^”=\frac{1.25+1.5}{2} \times 0.5 =0.6875$
$s=x_b”-x_a”=0.6785-0.5=0.19m $