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例題:
【題目】一個質量為m的物體,在平行于斜面向上的恒力F作用下,從斜面底端沿光滑斜面向上運動,到達斜面上的某一點時,突然撤去恒力F,物體沿原路返回,已知撤去恒力F前的速度為v,經過兩次碰撞后回到斜面底端時速度為v/2,求:
(1)第一次碰撞物體對斜面的壓力;
(2)物體與斜面間動摩擦因數。
【分析】
(1)物體在恒力F作用下沿斜面向上運動時,由牛頓第二定律得:$F - mg\sin\theta - \mu_{1}mg\cos\theta = ma_{1}$,撤去恒力F后,由牛頓第二定律得:$mg\sin\theta + \mu_{2}mg\cos\theta = ma_{2}$,設第一次碰撞后速度為$v_{1}$,由動量守恒定律得:$mv = mv_{1} - mv_{2}$,設第一次碰撞物體對斜面的壓力為$N$,由牛頓第二定律得:$N - mg\sin\theta = ma_{3}$,聯立解得:$N = \frac{mv}{v_{1} + \frac{mv}{v_{2}}} = \frac{mv^{2}}{v_{2} + \frac{mv}{v_{2}}}$。
(2)設物體與斜面間動摩擦因數為$\mu $,由動能定理得:$- \mu mg\cos\theta \cdot \frac{L}{2} = \frac{1}{2}mv^{2} - \frac{1}{2}mv_{1}^{2} - \frac{1}{2}mv_{2}^{2}$,聯立解得:$\mu = \frac{v^{2}}{v_{2}^{2} - v^{2}}$。
【解答】
(1)第一次碰撞物體對斜面的壓力為$\frac{mv^{2}}{v_{2} + \frac{mv}{v_{2}}}$。
(2)物體與斜面間動摩擦因數為$\frac{v^{2}}{v_{2}^{2} - v^{2}}$。