如图所示,t=0时刻,质量M=4kg上表面水平的小车静止在光滑水平面上,小车两端点A、B之间的中点C处静止着质量m=1k

如图所示,t=0时刻,质量M=4kg上表面水平的小车静止在光滑水平面上,小车两端点A、B之间的中点C处静止着质量m=1kg、电荷量q=5×10-4C、可视为质点的带正电物体.现在0~2.5s末这段时间内,在小车所在空间施加一个方向水平向右、电场强度E1=2×103N/C的匀强电场;接着在2.5s末改变电场的大小和方向,使2.5s~3.5s末这段时间内,小车所在空间的匀强电场方向水平向左、电场强度E2=5×103N/C;然后在t=3.5s末,撤去电场.若小车表面绝缘,小车与物体之间的动摩擦因数μ=0.1,小车与物体之间最大静摩擦力的大小等于滑动摩擦力的大小,重力加速度g取10m/s2.求:
(1)2.5s末小车和物体的速度;
(2)要让物体不从小车上滑落,小车的最小长度为多少?
wlxqq 1年前 已收到1个回答 举报

秋天的白桦 幼苗

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解题思路:(1)0~2.5s末这段时间内,在小车所在空间施加一个水平向右的匀强电场,物体受到向右的电场力,小车与物体之间最大静摩擦力:fmax=μmg=1N,假设两者相对静止,根据牛顿第二定律运用整体法和隔离法,求出物体与小车间的静摩擦力,判断物体与小车是否相对静止,若相对静止,再求整体的加速度,由速度公式v=at求出速度.
(2)再用同样的方法判断在2.5 s~3.5 s末(t′=1s)这段时间内,物体与小车是否相对静止.若物体将相对小车向左运动,对物体和小车分别运用动量定理,列式,可求出3.5 s末物体、小车的速度,由运动学公式和几何关系求出这一过程中物体相对小车向左的位移.撤去电场后,物体和小车构成的系统动量守恒,由动量守恒和能量守恒列式,求出这一过程中物体相对小车向左的位移,从而求出小车的最小长度.

(1)小车与物体之间最大静摩擦力:fmax=μmg=1N
在0~2.5s末(t=2.5s)这段时间内,假设物体与小车相对静止,则由牛顿第二定律可知它们的加速度为:a=
qE1
m+M=0.2m/s2
若以小车为研究对象,小车受到的摩擦力为:fM=Ma=0.8N
因为fM<fmax,故假设成立.即物体与小车相对静止.
所以,在2.5s末小车和物体的共同速度为:v=at=0.5m/s,方向水平向右.
(2)在2.5 s~3.5 s末(t′=1s)这段时间内,仍假设物体与小车相对静止,则由牛顿第二定律可知它们的加速度为:a′=
qE2
m+M=0.5m/s2
若以小车为研究对象,小车受到的摩擦力为:f′M=Ma′=2N
因为f′M>fmax,故假设不成立.即物体将相对小车向左运动.
以水平向右的方向为正方向,设3.5 s末物体、小车的速度分别为v1、v2,根据动量定理,对物体有:(-qE2+μmg)t′=mv1-mv
对小车有:-μmgt′=Mv2-Mv
解得:v1=-1m/s(方向向左),v2=0.25m/s(方向向右)
这一过程中物体相对小车向左的位移是:△s1=|
1
2(v+v1)t′|+
1
2(v+v2)t′=0.625m
撤去电场后,物体和小车构成的系统动量守恒,设它们相对静止时的速度为v´,由动量守恒定律有:Mv2+mv1=(M+m)v′
解得:v′=0
设这一过程中物体相对小车向左的位移为△s2,由能量守恒定律有:μmg△s2=
1
2m
v21+
1
2M
v22
解得:△s2=0.625m
所以,小车的最小长度为:L=2(△s1+△s2)=2.5m
答:
(1)2.5s末小车和物体的速度是0.5m/s.
(2)要让物体不从小车上滑落,小车的最小长度为2.5m.

点评:
本题考点: 动能定理;摩擦力的判断与计算;牛顿第二定律.

考点点评: 本题是电场中力学问题,基本方法与力学一样,关键分析物块与小车的受力情况和运动情况.要注意摩擦发热与物体间相对位移成正比.

1年前

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