5mjt高中物理最经典考点四 滑块木板模型问题高频14.docx
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5mjt高中物理最经典考点四滑块木板模型问题高频14
考点四 “滑块—木板模型”问题(高频14)
1.模型特点
涉及两个物体,并且物体间存在相对滑动.
2.两种位移关系
滑块由木板的一端运动到另一端的过程中,若滑块和木板同向运动,位移大小之差等于板长;反向运动时,位移大小之和等于板长.
设板长为L,滑块位移大小为x1,木板位移大小为x2,
同向运动时:
如图1所示,L=x1-x2
图1
反向运动时:
如图2所示,L=x1+x2
图2
3.解题步骤
→
→
→
命题点1 水平面上的滑块—木板模型
9.(2017·课标卷Ⅲ,25)如图,两个滑块A和B的质量分别为mA=1kg和mB=5kg,放在静止于水平地面上的木板的两端,两者与木板间的动摩擦因数均为μ1=0.5;木板的质量为m=4kg,与地面间的动摩擦因数为μ2=0.1.某时刻A、B两滑块开始相向滑动,初速度大小均为v0=3m/s.A、B相遇时,A与木板恰好相对静止.设最大静摩擦力等于滑动摩擦力,取重力加速度大小g=10m/s2.求:
(1)B与木板相对静止时,木板的速度;
(2)A、B开始运动时,两者之间的距离.
【解析】
(1)滑块A和B在木板上滑动时,木板也在地面上滑动.设A、B和木板所受的摩擦力大小分别为f1、f2和f3,A和B相对于地面的加速度大小分别为aA和aB,木板相对于地面的加速度大小为a1,在物块B与木板达到共同速度前有
f1=μ1mAg①
f2=μ1mBg②
f3=μ2(m+mA+mB)g③
由牛顿第二定律得
f1=mAaA④
f2=mBaB⑤
f2-f1-f3=ma1⑥
设在t1时刻,B与木板达到共同速度,其大小为v1,由运动学公式有
v1=v0-aBt1⑦
v1=a1t1⑧
联立①②③④⑤⑥⑦⑧式,代入已知数据得
v1=1m/s⑨
(2)在t1时间间隔内,B相对于地面移动的距离为
sB=v0t1-
aBt
⑩
设在B与木板达到共同速度v1后,木板的加速度大小为a2,
对于B与木板组成的体系,由牛顿第二定律有
f1+f3=(mB+m)a2⑪
由①②④⑤式知,aA=aB;再由⑦⑧式知,B与木板达到共同速度时,A的速度大小也为v1,但运动方向与木板相反.由题意知,A和B相遇时,A与木板的速度相同,设其大小为v2,设A的速度大小从v1变到v2所用的时间为t2,则由运动学公式,对木板有
v2=v1-a2t2⑫
对A有
v2=-v1+aAt2⑬
在t2时间间隔内,B(以及木板)相对地面移动的距离为
s1=v1t2-
a2t
⑭
在(t1+t2)时间间隔内,A相对地面移动的距离为
sA=v0(t1+t2)-
aA(t1+t2)2⑮
A和B相遇时,A与木板的速度也恰好相同,因此A和B开始运动时,两者之间的距离为
s0=sA+s1+sB⑯
联立以上各式,并代入数据得
s0=1.9m
(也可用如图所示的速度—时间图线求解)
【答案】
(1)1m/s
(2)1.9m
10.(2015·课标卷Ⅰ,25)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4.5m,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=1s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1s时间内小物块的vt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10m/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.
【解析】
(1)根据图(b)可以判定碰撞前小物块与木板共同速度为v=4m/s
碰撞后木板速度水平向左,大小也是v=4m/s
小物块受到滑动摩擦力而向右做匀减速直线运动,加速度大小a2=
m/s2=4m/s2.
根据牛顿第二定律有μ2mg=ma2,解得μ2=0.4
木板与墙壁碰撞前,匀减速运动时间t=1s,位移x=4.5m,末速度v=4m/s
其逆运动则为匀加速直线运动可得x=vt+
a1t2
解得a1=1m/s2
对小物块和木板整体受力分析,滑动摩擦力提供合外力,由牛顿第二定律得:
μ1(m+15m)g=(m+15m)a1,即μ1g=a1
解得μ1=0.1.
(2)碰撞后,木板向左做匀减速运动,依据牛顿第二定律有μ1(15m+m)g+μ2mg=15ma3
可得a3=
m/s2
对小物块,加速度大小为a2=4m/s2
由于a2>a3,所以小物块速度先减小到0,所用时间为t1=1s
过程中,木板向左运动的位移为x1=vt1-
a3t
=
m,末速度v1=
m/s
小物块向右运动的位移x2=
t1=2m
此后,小物块开始向左加速,加速度大小仍为a2=4m/s2
木板继续减速,加速度大小仍为a3=
m/s2
假设又经历t2二者速度相等,则有a2t2=v1-a3t2
解得t2=0.5s
此过程中,木板向左运动的位移x3=v1t2-
a3t
=
m,末速度v3=v1-a3t2=2m/s
小物块向左运动的位移x4=
a2t
=0.5m
此后小物块和木板一起匀减速运动,二者的相对位移最大,
Δx=x1+x2+x3-x4=6.0m
小物块始终没有离开木板,所以木板最小的长度为6.0m.
(3)最后阶段滑块和木板一起匀减速直到停止,整体加速度大小为a1=1m/s2
向左运动的位移为x5=
=2m
所以木板右端离墙壁最远的距离为x=x1+x3+x5=6.5m.
【答案】
(1)0.1 0.4
(2)6.0m (3)6.5m
命题点2 斜面上的滑块—木板模型
11.(2015·课标卷Ⅱ,25)下暴雨时,有时会发生山体滑坡或泥石流等地质灾害.某地有一倾角为θ=37°(sin37°=
)的山坡C,上面有一质量为m的石板B,其上下表面与斜坡平行;B上有一碎石堆A(含有大量泥土),A和B均处于静止状态,如图所示.假设某次暴雨中,A浸透雨水后总质量也为m(可视为质量不变的滑块),在极短时间内,A、B间的动摩擦因数μ1减小为
,B、C间的动摩擦因数μ2减小为0.5,A、B开始运动,此时刻为计时起点;在第2s末,B的上表面突然变为光滑,μ2保持不变.已知A开始运动时,A离B下边缘的距离l=27m,C足够长,设最大静摩擦力等于滑动摩擦力.取重力加速度大小g=10m/s2.求:
(1)在0~2s时间内A和B加速度的大小;
(2)A在B上总的运动时间.
【解析】
(1)在0~2s时间内,A和B的受力如图所示,其中Ff1、FN1是A与B之间的摩擦力和正压力的大小,Ff2、FN2是B与C之间的摩擦力和正压力的大小,方向如图所示.由滑动摩擦力公式和力的平衡条件得
Ff1=μ1FN1①
FN1=mgcosθ②
Ff2=μ2FN2③
FN2=FN1+mgcosθ④
规定沿斜面向下为正.设A和B的加速度分别为a1和a2,由牛顿第二定律得
mgsinθ-Ff1=ma1⑤
mgsinθ-Ff2+Ff1=ma2⑥
联立①②③④⑤⑥式,并代入题给条件得
a1=3m/s2⑦
a2=1m/s2⑧
(2)在t1=2s时,设A和B的速度分别为v1和v2,则
v1=a1t1=6m/s⑨
v2=a2t1=2m/s⑩
2s后,设A和B的加速度分别为a1′和a2′.此时A与B之间摩擦力为零,同理可得
a1′=6m/s2⑪
a2′=-2m/s2⑫
由于a2′<0,可知B做减速运动.设经过时间t2,B的速度减为零,则有
v2+a2′t2=0⑬
联立⑩⑫⑬式得t2=1s
在t1+t2时间内,A相对于B运动的距离为
x=
-
=12m<27m
此后B静止不动,A继续在B上滑动.设再经过时间t3后A离开B,则有
l-x=(v1+a1′t2)t3+
a1′t
可得t3=1s(另一解不合题意,舍去)
设A在B上总的运动时间t总,有
t总=t1+t2+t3=4s
【答案】
(1)3m/s2 1m/s2
(2)4s
12.(2018·重庆八中一模)如图所示,质量M=1kg的木板静置于倾角为37°的足够长的固定斜面上的某个位置,质量m=1kg、可视为质点的小物块以初速度v0=5m/s从木板的下端冲上木板,同时在木板上端施加一个沿斜面向上的外力F=14N,使木板从静止开始运动,当小物块与木板共速时,撤去该外力,最终小物块从木板的下端滑出.已知小物块与木板之间的动摩擦因数为0.25,木板与斜面之间的动摩擦因数为0.5,最大静摩擦力等于滑动摩擦力,g取10m/s2,sin37°=0.6,cos37°=0.8.求:
(1)物块和木板共速前,物块和木板的加速度;
(2)木板的最小长度;
(3)物块在木板上运动的总时间.
【解析】
(1)物块与木板共速前,对物块分析有mgsinθ+μ1mgcosθ=ma1,得a1=8m/s2,方向沿斜面向下,物块减速上滑;
对木板分析有F+μ1mgcosθ-Mgsinθ-μ2(m+M)gcosθ=Ma2,
得a2=2m/s2,方向沿斜面向上,木板加速上滑.
(2)物块与木板共速时有v共=v0-a1t1,v共=a2t1,
代入数据解得t1=0.5s,v共=1m/s,
共速时物块与木板的相对位移Δx1=v0t1-
a1t
-
a2t
=1.25m,
撤掉F后,物块相对于木板上滑,加速度大小仍为a1=8m/s2,物块减速上滑,
对木板有Mgsinθ+μ2(M+m)gcosθ-μ1mgcosθ=Ma2′,
则a2′=12m/s2,方向沿斜面向下,木板减速上滑.
由于Mgsinθ+μ1mgcosθ=μ2(M+m)gcosθ,
则木板速度减为零后,物块在木板上滑动时,木板保持静止,经过t2=
s,木板停止,经过t2′=
s,物块速度减为零,
此过程,物块和木板的相对位移Δx2=
t2′-
t2=
m,
故木板的最小长度Lmin=Δx1+Δx2=
m.
(3)物块在木板上下滑时,木板静止不动,
物块的加速度a1′=gsinθ-μ1gcosθ=4m/s2,
Lmin=
a1′t
,得t3=
s,
物块在木板上运动的总时间t=t1+t2′+t3=
s.
【答案】
(1)8m/s2,方向沿斜面向下 2m/s2,方向沿斜面向上
(2)
m (3)
s
分析滑块—滑板模型时要抓住一个转折和两个关联
思想方法系列(四) 动力学中的图象问题分析思路与方法
1.常见的动力学图象
vt图象、at图象、Ft图象、Fa图象等.
2.图象问题的类型
(1)已知物体受的力随时间变化的图线,要求分析物体的运动情况.
(2)已知物体的速度、加速度随时间变化的图线,要求分析物体的受力情况.
(3)由已知条件确定某物理量的变化图象.
3.解题策略
(1)分清图象的类别:
即分清横、纵坐标所代表的物理量,明确其物理意义,掌握物理图象所反映的物理过程,会分析临界点.
(2)注意图线中的一些特殊点所表示的物理意义:
图线与横、纵坐标的交点,图线的转折点,两图线的交点等.
(3)明确能从图象中获得哪些信息:
把图象与具体的题意、情境结合起来,应用物理规律列出与图象对应的函数方程式,进而明确“图象与公式”“图象与物体”间的关系,以便对有关物理问题作出准确判断.
类型一 与牛顿运动定律相关的vt图象问题
例1 (2018·山东烟台高三上学期期中)如图甲所示,质量M=5kg的木板A在水平向右F=30N的拉力作用下在粗糙水平地面上向右运动,t=0时刻在其右端无初速度地放上一质量为m=1kg的小物块B,放上物块后A、B的vt图象如图乙所示.已知物块可看作质点,木板足够长,取g=10m/s2.求:
(1)物块与木板之间动摩擦因数μ1和木板与地面间的动摩擦因数μ2;
(2)物块与木板之间摩擦产生的热量;
(3)放上物块后,木板运动的总位移.
【解析】
(1)放上物块后,当A、B有相对运动时,分别对A、B受力分析,可知:
μ1mg=maB
μ1mg+μ2(M+m)g-F=MaA
结合图象可知:
μ1=
=
=0.4
aA=
=2m/s2
μ2=
=0.6.
(2)物块与木板相对运动过程中,相对位移为Δs相对=
×18×3m=27m
物块与木板之间的摩擦热:
Q=μ1mgΔs相对=108J.
(3)A、B共同运动时,μ2(M+m)g-F=(M+m)a
a=1m/s2
A、B共同运动时间t=
=12s
放上物块后木板运动的总位移s木板=
×(12+18)×3m+
×12×12m=117m.
【答案】
(1)0.4 0.6
(2)108J (3)117m
类型二 与牛顿运动定律相关的Ft图象问题
例2 (2018·山东菏泽市高三上学期期中)一个物块放置在粗糙的水平面上,受到的水平拉力F随时间t变化的关系如图所示,速度v随时间t变化的关系如图所示(g=10m/s2),下列说法正确的是( )
A.5s末物块所受摩擦力的大小为15N
B.物块在前6s内的位移大小为12m
C.物块与水平地面间的动摩擦因数为0.75
D.物块的质量为5kg
【解析】 5s末处于静止状态,根据平衡知,Ff=F=10N,故A错误;物块在前6s内的位移大小等于前4s内的位移大小,根据图线的面积得:
S=
×(2+4)×4m=12m,故B正确;在0~2内物块做匀速直线运动,滑动摩擦力f=15N,
物块匀减速运动的加速度大小为:
a=
m/s2=2m/s2,
根据牛顿第二定律得:
f-F=ma,
解得m=
kg=5kg,
则动摩擦因数为:
μ=
=
=0.3,故C错误,D正确.
【答案】 BD
根据Ft图象可得F合与时间t的关系,F合t图象与at图象具有对应关系,根据对应关系列出关系式即可解决相关问题.
类型三 与牛顿运动定律相关的Fx图象问题
例3 如图甲所示,水平面上质量相等的两木块A、B用一轻弹簧相连,这个系统处于平衡状态,现用一竖直向上的力F拉动木块A,使木块A向上做匀加速直线运动(如图乙),研究从力F刚作用在木块A瞬间到木块B刚离开地面瞬间的这一过程,并选定该过程中木块A的起点位置为坐标原点,则下面图中能正确表示力F和木块A的位移x之间关系的是( )
【解析】 初始状态弹簧被压缩,弹簧对A的弹力与A所受的重力平衡,设弹簧压缩长度为x0,末状态弹簧被拉长,由于B刚离开地面,弹簧对B的弹力与B所受的重力平衡,由于A、B所受重力相等,故弹簧伸长量也为x0.初始状态A处于平衡状态,则kx0=mg,当木块A的位移为x时,弹簧向上的弹力的减少量为kx,外力F减去弹力的减少量为系统的合外力,故F-kx=ma,则得到F=kx+ma,可见F与x是线性关系,当x=0时,ma>0.
【答案】 A
根据胡克定律F=kx得k=
=
,即弹簧弹力的变化量和形变量的变化量成正比.弹簧弹力随位移的变化而做线性变化,A做匀加速直线运动,因此作用力F也随位移的变化而做线性变化.
[高考真题]
1.(2016·上海卷,7)在今年上海的某活动中引入了全国首个户外风洞飞行体验装置,体验者在风力作用下漂浮在半空.若减小风力,体验者在加速下落过程中( )
A.失重且机械能增加
B.失重且机械能减少
C.超重且机械能增加
D.超重且机械能减少
【解析】 据题意,体验者漂浮时受到的重力和风力平衡;在加速下降过程中,风力小于重力,即重力对体验者做正功,风力做负功,体验者的机械能减小;加速下降过程中,加速度方向向下,体验者处于失重状态,故选项B正确.
【答案】 B
2.(2016·海南卷,5)沿固定斜面下滑的物体受到与斜面平行向上的拉力F的作用,其下滑的速度—时间图线如图所示.已知物体与斜面之间的动摩擦因数为常数,在0~5s,5~10s,10~15s内F的大小分别为F1、F2和F3,则( )
A.F1F3
C.F1>F3D.F1=F3
【解析】 根据vt图象可知,在0~5s内加速度大小为a1=0.2m/s2,方向沿斜面向下;在5~10s内,加速度大小为a2=0;在10~15s内加速度大小为a3=0.2m/s2,方向沿斜面向上;受力分析如图:
在0~5s内,根据牛顿第二定律:
mgsinθ-f-F1=ma1,则:
F1=mgsinθ-f-0.2m;
在5~10s内,根据牛顿第二定律:
mgsinθ-f-F2=ma2,则:
F2=mgsinθ-f;
在10~15s内,根据牛顿第二定律:
f+F3-mgsinθ=ma3,则:
F3=mgsinθ-f+0.2m;
故可以得到:
F3>F2>F1,故选项A正确.
【答案】 A
3.(2013·课标卷Ⅱ,25)一长木板在水平地面上运动,在t=0时刻将一相对于地面静止的物块轻放到木板上,以后木板运动的速度—时间图象如图所示.已知物块与木板的质量相等,物块与木板间及木板与地面间均有摩擦,物块与木板间的最大静摩擦力等于滑动摩擦力,且物块始终在木板上.取重力加速度的大小g=10m/s2,求:
(1)物块与木板间、木板与地面间的动摩擦因数;
(2)从t=0时刻到物块与木板均停止运动时,物块相对于木板的位移的大小.
【解析】
(1)从t=0时开始,木板与物块之间的摩擦力使物块加速,使木板减速,此过程一直持续到物块和木板具有共同速度为止.
由图可知,在t1=0.5s时,物块和木板的速度相同.设t=0到t=t1时间间隔内,物块和木板的加速度大小分别为a1和a2,则
a1=
①
a2=
②
式中v0=5m/s、v1=1m/s分别为木板在t=0、t=t1时速度的大小.
设物块和木板的质量均为m,物块和木板间、木板与地面间的动摩擦因数分别为μ1、μ2,由牛顿第二定律得
μ1mg=ma1③
(μ1+2μ2)mg=ma2④
联立①②③④式得
μ1=0.20⑤
μ2=0.30.⑥
(2)在t1时刻后,地面对木板的摩擦力阻碍木板运动,物块与木板之间的摩擦力改变方向.设物块与木板之间的摩擦力大小为f,物块和木板的加速度大小分别为a′1和a′2,则由牛顿第二定律得
f=ma′1⑦
2μ2mg-f=ma′2⑧
假设f<μ1mg,则a′1=a′2;由⑤⑥⑦⑧式得f=μ2mg>μ1mg,与假设矛盾.故f=μ1mg⑨
由⑦⑨式知,
物块加速度的大小a′1等于a1;物块的vt图象如图中点划线所示.
由运动学公式可推知,物块和木板相对于地面的运动距离分别为s1=2×
⑩
s2=
t1+
⑪
物块相对于木板的位移的大小为
s=s2-s1⑫
联立①⑤⑥⑧⑨⑩⑪⑫式得
s=1.125m.
【答案】
(1)0.20 0.30
(2)1.125m
[名校模拟]
4.(2018·山东师大附中模拟)图甲是某人站在力传感器上做下蹲、起跳动作的示意图,中间的·表示人的重心.图乙是根据传感器采集到的数据画出的力—时间图象.两图中a~g各点均对应,其中有几个点在图甲中没有画出.取重力加速度g=10m/s2.根据图象分析可知( )
A.人的重力为1500N
B.c点位置人处于超重状态
C.e点位置人处于失重状态
D.d点的加速度小于f点的加速度
【解析】 由题图甲、乙可知,人的重力等于500N,质量m=50kg,b点位置人处于失重状态,c、d、e点位置人处于超重状态,选项A、C错误,B正确;d点位置传感器对人的支持力F最大,为1500N,由F-mg=ma可知,d点的加速度ad=20m/s2,f点位置传感器对人的支持力为0N,由F-mg=ma可知,f点的加速度af=-10m/s2,故d点的加速度大于f点的加速度,选项D错误.
【答案】 B
5.(2018·潍坊中学高三上学期开学考试)如图甲所示,足够长的木板B静置于光滑水平面上,其上放置小滑块A,木板B受到随时间t变化的水平拉力F作用,木板加速度a随力F变化的aF图象如图乙所示,g取10m/s2,则( )
A.滑块A的质量为4kg
B.木板B的质量为1kg
C.当F=10N时木板B加速度为4m/s2
D.当F=10N时滑块A的加速度为2m/s2
【解析】 当F等于8N时,加速度为:
a=2m/s2,对整体分析,由牛顿第二定律有:
F=(M+m)a,代入数据解得:
M+m=4kg,当F大于8N时,对B,由牛顿第二定律得:
a=
=
F-
,由图示图象可知,图线的斜率:
k=
=
=
=1,解得,木板B的质量:
M=1kg,滑块A的质量为:
m=3kg,故A错误,B正确;根据F大于8N的图线知,F=6N时,a=0,由a=
F-
,可知:
0=
×6-
,解得:
μ=0.2,由图示图象可知,当F=10N时,滑块与木板相对滑动,B的加速度为:
aB=a=
F-
=
×10-
m/s2=4m/s2,故C正确;当F=10N时,A、B相对滑动,木块A的加速度:
aA=
=μg=2m/s2,故D正确,故选BCD.
【答案】 BCD
6.(2018·江苏无锡高三质检)如图所示,在光滑的水平面上有一个质量为M的木板B处于静止状态,现有一个质量为m的木块A从B的左端以初速度v0=3m/s开始水平向右滑动,已知M>m.用①和②分别表示木块A和木板B的图象,在木块A从B的左端滑到右端的过程中,下面关于二者速度v随时间t的变化图象,其中可能正确的是( )
【解析】 木块滑上木板,A做匀减速直线运动,B做匀加速直线运动,根据牛顿第二定律得加速度大小aA=
=μg,aB=
,已知M>m,则aA>aB.图线①斜率的绝对值应大于图线②斜率的绝对值,故A、B错误;若A不能够滑下,则两者最终拥有共同的速度,若能够滑下,则A的速度较大,故C正确,D错误.
【答案】 C
课时作业(九)
[基础小题练]
1.电梯早已进入人们的日常生活,设某人乘坐电梯时的vt图象如图所示,取向上为正方向,下列说法正确的是( )
A.0至t1时间内人处于失重状态
B.t2至t4时间内人处于失重状态
C.t2至t3时间内与t3至t4时间内电梯的加速度方向相反
D.0至t1时间内和t3至t4时间内电梯的加速度方向相同
【解析】 由vt图象可知,0至t1时间内向上匀加速运动,人处于超重状态,选项A错误;t2至t4时间内,加速度向下,人处于失重状态,选项B正确;t2至t3时间内与t3至t4时间内电梯的加速度方向相同,0至t1时间内和t3至t4时间内电梯的加速度方向相反,选项C、D错误.
【答案】 B
2.为
了让乘客乘车更为舒适,某探究小组设计了一种新的交通工具,乘客的座椅能随着坡度的变化而自动调整,使座椅始终保持水平,如图所示,当此车减速上坡时(仅考虑乘客与水平面之间的作用),则关于乘客下列说法正确的是( )
A.不受摩擦力的作用
B.受到水平向左的摩擦力作用
C.处于超重状态
D.所受合力竖直向上
【解析】 对乘客进行受力分析,乘客受重力,支持力,由于乘客加速度沿斜面向下,而静摩擦力必沿水平方向,又因为乘客有水平向左的分加速度,所以受到水平向左的摩擦力作用,故A