板塊模型是高中物理動力學中最重要的一類模型,也是高考考察的重點和難點,此類問題關鍵是要分析出板塊之間的摩擦力和加速度情況,以及兩者位移變化情況,下面劉叔物理就詳細介紹板塊模型之水平面光滑的情況。
一、外力F作用在木塊上,水平面光滑,木塊和木板接觸面粗糙。
1、如下圖所示,在光滑的水平面上有一質量為M的長木板,在其左端有一質量為m的木塊,木塊受到水平向右的外力F作用,木塊與長木板間的動摩擦因數為μ,最大靜摩擦力等于滑動摩擦力,求外力F多大時?m和M會相對滑動。
解析:當外力F較小時,m、M會一起向右做加速運動,此時加速度較小;當F慢慢增大時,兩者加速度會慢慢增大,但通過受力分析可知,M的加速度由m對其的摩擦力提供,因摩擦力最大為f=μmg,提供最大的加速度a=μmg/M,所以,要保證相對滑動,整體加速度大于μmg/M即可。
對m、M整體分析:F=(m+M)a=μmg(m+M)/M。
所以,當外力大于μmg(m+M)/M時,m和M會相對滑動
2、如下圖所示,在光滑的水平面上有一長為0.64m、質量為4kg的木板A,在木板的左端有一質量為2kg的小物體B,A、B之間的動摩擦因數μ=0.2,當對B施加水平向右的力F=10N作用時,求經過多長的時間可將B從木板A的左端拉到右端?(設A、B間的最大靜摩擦力大小與滑動摩擦力大小相等,物體可視為質點,g取10m/s2)
簡單解法:通過計算可知,B的加速度為3m/s2,A的加速度為1m/s2,以A為參考系,B相對A的加速度a=3 — 1= 2m/s2,B相對A的初速度為零,即B相對于A做初速度為零的加速度大小為2m/s2的勻加速直線運動,相對位移大小為L,故L=?at2,可解得t=0.8s。
二、外力F作用在木板上,水平面光滑,木塊和木板接觸面粗糙。
1、如下圖所示,在光滑的水平面上有一質量為M的長木板,在其右端有一質量為m的木塊,長木板受到水平向右的外力F作用,木塊與長木板間的動摩擦因數為μ,最大靜摩擦力等于滑動摩擦力,求外力F多大時?m和M會相對滑動。
解析:當外力F較小時,m、M會一起向右做加速運動,此時加速度較小;當F慢慢增大時,兩者加速度會慢慢增大,但通過受力分析可知,m的加速度由M對其向右的摩擦力提供,因摩擦力最大值為f=μmg,提供最大的加速度a=μmg/m,所以,要保證相對滑動,整體加速度大于μg即可。
對m、M整體分析:F=(m+M)a=μg(m+M)。
所以,當外力大于μg(m+M)時,m和M會相對滑動
2、如下圖所示,質量為M=8kg的小車放在光滑的水平面上,在小車左端加以水平推力F=8N,當小車向右運動的速度達到1.5m/s時,在小車前端輕輕放上一個大小不計、質量為 m=2kg 的小物塊,物塊與小車間的動摩擦因數 μ=0.2 。已知運動過程中,小車足夠長,取 g=10m/s 2。求:
( 1 )小物塊放后,小物塊和小車的加速度?
( 2 )經過多長時間兩者達到相同的速度?
( 3 )從小物塊放上小車開始,經過 t=1.5s小物塊通過的位移大小為多少?(g取10m/s2)
答案:(1)am=2m/s2,aM=0.5m/s2 (2)1s (3)2.1m
板塊模型之水平面和接觸面均粗糙的情況