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- 2021-05-26 发布
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2020-2021 年高三物理考点专项突破:多体多过程之板块与弹簧模型的
动力学与能量综合问题
1.如图甲所示,质量 M=1 kg 的木板 B 静止在水平地面上,可视为质点的滑块 A 从木板的左侧沿木板表面
水平冲上木板,A 和 B 经过 t=1 s 后达到同一速度,然后共同减速直至静止。整个过程中,A 和 B 的速度随
时间变化规律如图乙所示,取 g=10 m/s2。用 μ1 表示 A 与 B 间的动摩擦因数,μ2 表示 B 与水平地面间的动
摩擦因数,m 表示滑块 A 的质量,求 μ1、μ2 和 m 的值。
【答案】: μ1=0.2,μ2=0.1,m=3 kg
【解析】: 由图乙可知,在 0~1 s 内滑块 A 做匀减速直线运动,加速度大小 a1=
2-4
1 m/s2=2 m/s2
木板 B 做匀加速直线运动,加速度大小 a2=2-0
1 m/s2=2 m/s2
对滑块 A 进行受力分析,由牛顿第二定律有:μ1mg=ma1
对木板 B 进行受力分析,由牛顿第二定律有:μ1mg-μ2(M+m)g=Ma2
在 1~3 s 内,将滑块 A 和木板 B 视为一个整体,该整体做匀减速直线运动。
由图乙可知该整体的加速度的大小 a3=
0-2
3-1 m/s2=1 m/s2
对该整体进行受力分析,由牛顿第二定律有
μ2(M+m)g=(M+m)a3
联立解得 μ1=0.2,μ2=0.1,m=3 kg
2.如图所示,在光滑水平面上有一质量为 m1 的足够长的木板,其上叠放一质量为 m2 的木块。假定木块和木
板之间的最大静摩擦力和滑动摩擦力相等。现给木块施加一随时间 t 增大的水平力 F=kt(k 是常量),木板和
木块加速度的大小分别为 a1 和 a2。下列反映 a1 和 a2 随时间 t 变化的图线中正确的是( )
【答案】: A
【解析】:开始时木板和木块一起做加速运动,有 F=(m1+m2)a,解得 a= F
m1+m2
= kt
m1+m2
,即木板和木块
的加速度相同且与时间成正比。当木板与木块间的摩擦力达到 μm2g 后两者发生相对滑动,对木块有 F-μm2g
=m2a2,a2=F-μm2g
m2
= kt
m2
-μg,故其图线的斜率增大;对木板,在发生相对滑动后,有 μm2g=m1a1,故 a1
=μm2g
m1
为定值。所以选项 A 正确。
3.(2016·四川理综·10)避险车道是避免恶性交通事故的重要设施,由制动坡床和防撞设施等组成,如图竖直
平面内,制动坡床视为与水平面夹角为 θ 的斜面。一辆长 12 m 的载有货物的货车因刹车失灵从干道驶入制
动坡床,当车速为 23 m/s 时,车尾位于制动坡床的底端,货物开始在车厢内向车头滑动,当货物在车厢内
滑动了 4 m 时,车头距制动坡床顶端 38 m,再过一段时间,货车停止。已知货车质量是货物质量的 4 倍,
货物与车厢间的动摩擦因数为 0.4;货车在制动坡床上运动受到的坡床阻力大小为货车和货物总重的0.44倍。
货物与货车分别视为小滑块和平板,取 cos θ=1,sin θ=0.1,g=10 m/s2。求:
(1)货物在车厢内滑动时加速度的大小和方向;
(2)制动坡床的长度。
【答案】:(1)5 m/s2 方向沿制动坡床向下 (2)98 m
【解析】: (1)设货物的质量为 m,货物在车厢内滑动过程中,货物与车厢间的动摩擦因数 μ=0.4,受摩擦
力大小为 Ff,加速度大小为 a1,则 Ff+mgsin θ=ma1①
Ff=μmgcos θ②
联立①②式并代入数据得 a1=5 m/s2③ a1 的方向沿制动坡床向下。
(2)设货车的质量为 M,车尾位于制动坡床底端时的车速为 v=23 m/s。货物在车厢内开始滑动到车头距制动
坡床顶端 x0=38 m 的过程中,用时为 t,货物相对制动坡床的运动距离为 x1,在车厢内滑动的距离 x=4 m,
货车的加速度大小为 a2,货车相对制动坡床的运动距离为 x2。货车受到制动坡床的阻力大小为 F,F 是货车
和货物总重的 k 倍,k=0.44,货车长度 l0=12 m,制动坡床的长度为 l,则
Mgsin θ+F-Ff=Ma2④
F=k(m+M)g⑤
x1=vt-1
2a1t2⑥
x2=vt-1
2a2t2⑦
x=x1-x2⑧
l=l0+x0+x2⑨
联立①②④~⑨并代入数据得 l=98 m⑩
4.长为 L=1.5 m 的长木板 B 静止放在水平冰面上,小物块 A 以某一初速度 v0 从木板 B 的左端滑上长木板 B,
直到 A、B 的速度达到相同,此时 A、B 的速度为 v=0.4 m/s,然后 A、B 又一起在水平冰面上滑行了 x=8.0
cm 后停下。若小物块 A 可视为质点,它与长木板 B 的质量相同,A、B 间的动摩擦因数 μ1=0.25,g 取 10 m/s2。
求:
(1)木板与冰面的动摩擦因数 μ2。
(2)小物块 A 的初速度 v0。
(3)为了保证小物块不从木板的右端滑落,小物块滑上木板的最大初速度 v0m 应为多少?
【答案】: (1)0.10 (2)2.4 m/s (3)3.0 m/s
【解析】: (1)小物块和木板一起运动时,受冰面的滑动摩擦力,做匀减速运动,则加速度
a=v2
2x=1.0 m/s2
由牛顿第二定律得 μ2mg=ma
解得 μ2=0.10
(2)小物块相对木板滑动时受木板对它的滑动摩擦力,做匀减速运动。其加速度
a1=μ1g=2.5 m/s2
小物块在木板上滑动,木板受小物块的滑动摩擦力和冰面的滑动摩擦力,做匀加速运动,则有
μ1mg-μ2(2m)g=ma2
解得 a2=0.50 m/s2
设小物块滑上木板经时间 t 后小物块、木板的速度相同为 v,则对于木板 v=a2t
解得 t= v
a2
=0.8 s
小物块滑上木板的初速度 v0=v+a1t=2.4 m/s
小物块滑上木板的初速度越大,它在木板上相对木板滑动的距离越大,当滑动距离等于木板长时,小物块
到达木板 B 的最右端,两者的速度相等(设为 v′),这种情况下小物块的初速度为保证其不从木板上滑落的最
大初速度 v0m,则:
v0mt′-1
2a1t′2-1
2a2t′2=L
v0m-v′=a1t′
v′=a2t′
由以上三式解得 v0m=3.0 m/s
5.(2015·新课标全国 1)一长木板置于粗糙水平地面上,木板左端放置一小物块;在木板右方有一墙壁,木板
右端与墙壁的距离为 4.5 m,如图(a)所示。t=0 时刻开始,小物块与木板一起以共同速度向右运动,直至 t
=1 s 时木板与墙壁碰撞(碰撞时间极短)。碰撞前、后木板速度大小不变,方向相反;运动过程中小物块始
终未离开木板。已知碰撞后 1 s 时间内小物块的 v-t 图线如图(b)所示。木板的质量是小物块质量的 15 倍,
重力加速度大小 g 取 10 m/s2。求:
(1)木板与地面间的动摩擦因数 μ1 及小物块与木板间的动摩擦因数 μ2;
(2)木板的最小长度;
(3)木板右端离墙壁的最终距离。
【答案】:
(1)μ2=0.4,μ1=0.1
(2)6m
(3)6.5m
【解析】:选择 0-1s 作为研究过程对整体分析得: )1...(1616 1 mamg
设 0-1s 内整体的位移大小为 x0,所以有;
)3.....(2
1x
)2.....(v
2
000
00
attv
atv
联立 1、2、3 可得: 0. 11
选择 1-2s 作为研究过程分别对 AB 进行受力分析和运动分析
对 A 进行受力分析: )5....(12 mamg
对 B 进行受力分析: )6...(1516 212 mamgmg
对 AB 进行运动分析;设 1-2s 末 A 的位移为 x1B 的位移为 x2,2s 末 A、B 的速度大小分别为 v1,v2;
)7...(11 tavv
联立 5、6、7 式得:
.../3
4
.../4
2
2
2
1
sma
sma
将 代入可得: 0.42 ....(8)
)9...(.2 1
1
1 tvvx
)10. . . (122 tavv
)11....(.2 1
2
2 tvvx
)12...(21 xxx
联立将 a1、a2 代入联立 9、10、11、12 式可得:
2
2 /3
8 smv . . .21 mx ...3
10
2 mx mx 3
16
1
选择 2s 以后作为研究过程;对 AB 分别进行受力分析,两物体各自的加速度大小未变。对 AB 进行运动分
析,设经过时间 t2 两物体共速,共速的速度大小为 v 共,该过程 AB 两物体各自产生的位移分别为 x3、x4;
)13....(22221 tavta 解得: smvt /2...5.02 共
)15...(2
1
)14...(2
1
2
22224
2
213
tatvx
tax
)17...(6
)16...(342
mx
xxx
联立:14、15、16、17 得: mxmxmx 3
2...6
7...5.0 243
选择 2.5s 以后作为研究过程;AB 以共同大小的加速度 a,以 v 共为初速度做匀减速运动,设经过时间 t3 停
止;
)18...(/1 2
1 smga
)20...(
2)...19...(2
541
55
2
xxxx
mxaxv
共
X=6.5m....(21)
6.如图所示,AB 为半径 R=0.8 m 的1
4光滑圆弧轨道,下端 B 恰与小车右端平滑对接。小车质量 M=3 kg,
车长 L=2.06 m,车上表面距地面的高度 h=0.2 m,现有一质量 m=1 kg 的滑块,由轨道顶端无初速度释放,
滑到 B 端后冲上小车。已知地面光滑,滑块与小车上表面间的动摩擦因数 μ=0.3,当车运动了 t0=1.5 s 时,
车被地面装置锁定(g=10 m/s2)。试求:
(1)滑块到达 B 端时,轨道对它支持力的大小;
(2)车被锁定时,车右端距轨道 B 端的距离;
(3)从车开始运动到被锁定的过程中,滑块与车上表面间由于摩擦而产生的内能大小。
【答案】: (1)30 N (2)1 m (3)6 J
【解析】:(1)由机械能守恒定律和牛顿第二定律得:
mgR=1
2mv2B
FNB-mg=mv2B
R
则:FNB=30 N
(2)设 m 滑上小车后经过时间 t1 与小车同速,共同速度大小为 v,对滑块有:μmg=ma1,
v=vB-a1t1
对于小车:μmg=Ma2,
v=a2t1
解得:v=1 m/s,
t1=1 s,
因 t1