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題目:
【例題】(長寧區高三物理二模)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A點靜止開始運動,到達斜面頂端B點時,物體恰好沿斜面向上做勻速運動,已知斜面與物體間的動摩擦因數為μ,斜面的傾角為θ,求:
(1)物體到達斜面頂端B點時速度的大小;
(2)物體從A到B的過程中,拉力F做的功;
(3)物體從A到B的過程中,拉力F的最大功率和最小功率。
【分析】
(1)物體從A到B的過程中,根據動能定理列式求解即可;
(2)根據牛頓第二定律列式求解拉力的大小,再根據功的公式求解拉力做的功;
(3)根據牛頓第二定律列式求解拉力最大和最小時的加速度,再根據速度位移關系求解最大和最小功率。
【解答】
(1)物體從A到B的過程中,根據動能定理得:$F\sin\theta - \mu mg\cos\theta - \mu mg\sin\theta = \frac{1}{2}mv^{2}$解得:$v = \sqrt{\frac{2(F\sin\theta - \mu mg\sin\theta)}{m}}$
(2)根據牛頓第二定律得:$F - mg\sin\theta - \mu mg\cos\theta = 0$解得:$F = mg\sin\theta + \mu mg\cos\theta$拉力做的功為:$W = Fh = (mg\sin\theta + \mu mg\cos\theta)h$
(3)當拉力最大時,物體向上做加速度減小的加速運動,當加速度為零時速度最大,此時有:$F_{m} = mg\sin\theta + \mu mg\cos\theta + mg\sin\theta = 2mg\sin\theta$此時拉力的功率為:$P_{m} = F_{m}v = 2mgv$當拉力最小時,物體向下做勻速運動,此時有:$F_{m} = mg\sin\theta - \mu mg\cos\theta$此時拉力的功率為:$P_{m} = F_{m}v = mgv$解得:$P_{m} = \frac{mgv}{cos\theta}$當物體向上做勻速運動時,拉力的功率為:$P_{min} = \frac{mgv}{sin\theta}$解得:$P_{min} = \frac{mgv}{tan\theta}$答:(1)物體到達斜面頂端B點時速度的大小為$\sqrt{\frac{2(F\sin\theta - \mu mg\sin\theta)}{m}}$;(2)物體從A到B的過程中,拉力F做的功為$(mg\sin\theta + \mu mg\cos\theta)h$;(3)物體從A到B的過程中,拉力F的最大功率為$2mgv$和最小功率分別為$\frac{mgv}{cos\theta}$和$\frac{mgv}{tan\theta}$。