Question

如圖所示，一輛平板小車靜止在水平地面上，小車的右端放置一物塊（可視為質(zhì)點）．已知小車的質(zhì)量M=4.0kg，長度l=1.0m，其上表面離地面的高度h=0.80m．物塊的質(zhì)量m=1.0kg，它與小車平板間的動摩擦因數(shù)μ=0.20，最大靜摩擦力可以認(rèn)為等于滑動摩擦力．若用水平向右的恒定拉力F=18N拉小車，經(jīng)過一段時間后，物塊從小車左端滑出，在物塊滑出瞬間撤掉拉力F，不計小車與地面間的摩擦． 取g=10m/s²，求：
（1）拉動小車過程中拉力F所做的功；
（2）物塊落地時的動能；
（3）物塊落地時，物塊與小車左端的水平距離．

Answer 1

（1）設(shè)物塊運動的加速度為a₁，小車運動的加速度為a₂，物塊從開始滑動到從小車左端滑出的時間為t．
物塊所受摩擦力f=μmg，
根據(jù)牛頓第二定律f=ma₁，物塊的位移x₁=

1

2

a₁t²
小車所受摩擦力f′=f=μmg，
根據(jù)牛頓第二定律F-f′=Ma₂，小車的位移x₂=

1

2

a₂t²
解得物塊運動的加速度為a₁=2 m/s²，
小車運動的加速度a₂=4m/s²
由如圖1所示的幾何關(guān)系可知   x₂-x₁=l
解得滑塊在t=1s末從小車左端滑出，
小車的位移x₂=

1

2

a₂t²=2m，
拉力F所做的功W=F x₂=36J
（2）此時物塊的速度大小v₁=a₁t=2m/s
物塊滑出后做平拋運動，
機械能守恒，

1

2

m v₁²+mgh=E ₁′
物塊落地時的動能為E ₁′=10J
（3）物塊與小車分離時，小車速度為   v₂=a₂t=4 m/s
物塊與小車分離后向右做平拋運動，
設(shè)物塊做平拋運動的時間為t′，
則t′=

2h g

=0.40 s
物塊做平拋運動的過程中
物塊向右的水平位移 x₁′=v₁ t′=0.8m
小車向右的位移x₂′=v₂ t′=1.6m
由圖2所示的幾何關(guān)系可知，當(dāng)物塊落地時，
物塊與小車在水平方向上相距x₂′-x₁′=0.8 m



答：（1）拉動小車過程中拉力F所做的功為36J；
（2）物塊落地時的動能10J；
（3）物塊落地時，物塊與小車左端的水平距離為0.8 m．