内容正文:
专题突破5
动力学中的图像和临界极值问题
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1.掌握动力学图像的物理意义,会解决动力学图像问题。
2.理解几种常见的临界极值条件,会用极限法、假设法、数学方法解决临界极值问题。
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目标
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1
考点一
2
考点二
3
限时规范训练
栏
目
导
引
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1.常见的动力学图像
考点一
动力学中的图像问题
v-t
图像 根据图像的斜率判断加速度的大小和方向,进而根据牛顿第二定律求解合外力
F-a
图像 首先要根据具体的物理情景,对物体进行受力分析,然后根据牛顿第二定律推导出F、a两个量间的函数关系式,根据函数关系式结合图像,明确图像的斜率、截距的意义,从而由图像给出的信息求出未知量
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a-t
图像 要注意加速度的正负,正确分析每一段的运动情况,然后结合物体受力情况根据牛顿第二定律列方程
F-t
图像 要结合物体受到的力,根据牛顿第二定律求出加速度,分析每一时间段的运动性质
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2.解题策略
(1)分清图像的类别:即分清横、纵坐标所代表的物理量,明确图像的物理意义。
(2)注意图线与横、纵坐标轴的交点,图线的转折点,两图线的交点,图线的斜率,图线与坐标轴或图线与图线所围面积等所表示的物理意义。
(3)明确能从图像中获得的信息:把图像与具体的题意、情境结合起来,应用物理规律列出与图像对应的函数表达式,进而明确“图像与公式”“图像与过程”间的关系,以便对有关物理问题作出准确判断。
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(多选)(2025·山东济南模拟)用水平力F拉静止在水平桌面上的小物块,F大小随时间的变化如图甲所示,物块的加速度a随时间变化的图像如图乙所示,最大静摩擦力等于滑动摩擦力,重力加速度g取10 m/s2。下列说法正确的是( )
A.物块的质量为3 kg
B.最大静摩擦力为3 N
C.若在4 s时撤去水平拉力,物块还可以继续滑行4.5 s
D.若在4 s时撤
去水平拉力,物
块还可以继续滑
行8 m
ABC
解析:ABC 根据图乙可知,在1 s时刻,物块恰好开始运动,此时拉力大小等于最大静摩擦力,根据图甲可知,最大静摩擦力为3 N,B正确;在2 s时刻拉力为6 N,加速度为1 m/s2,则有m= kg=3 kg,A正确;a-t图像的面积表示速度的变化量,结合上述则有v4=Δv= m/s=4.5 m/s,撤去拉力后的加速度a= m/s2=1 m/s2,则物块还可以继续滑行的时间t==4.5 s,C正确;根据上述,若在4 s时撤去水平拉力,物块还可以继续滑行的距离x==10.125 m,D错误。
答案
解析
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(2024·全国甲卷,15)如图,一轻绳跨过光滑定滑轮,绳的一端系物块P,P置于水平桌面上,与桌面间存在摩擦;绳的另一端悬挂一轻盘(质量可忽略),盘中放置砝码。改变盘中砝码总质量m,并测量P的加速度大小a,得到a-m图像。重力加速度大小为g。在下列a-m图像中,可能正确的是( )
D
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解析:D 对物块P,有FT-Ff=Ma,对砝码,有mg-FT=ma,联立解得a=,则a-m图线为曲线且不过原点,故选D。
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1.“四种”典型的临界条件
(1)接触与脱离的临界条件:两物体相接触或脱离,临界条件是弹力FN=0。
(2)相对滑动的临界条件:静摩擦力达到最大值。
(3)绳子断裂与松弛的临界条件:绳子断与不断的临界条件是绳中张力等于它所能承受的最大张力,绳子松弛与拉紧的临界条件是FT=0。
(4)速度极值的临界条件:当沿速度方向上的加速度变为0时,速度达到最大值或最小值。
考点二
动力学中的临界、极值问题
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2.处理临界问题的三种方法
极限法 把物理问题(或过程)推向极端,从而使临界现象(或状态)暴露出来,以达到正确解决问题的目的
假设法 临界问题存在多种可能,特别是有非此即彼两种可能时,或变化过程中可能出现临界条件,也可能不出现临界条件时,往往用假设法解决问题
数学法 将物理过程转化为数学表达式,根据数学表达式解出临界条件
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(2025·河北唐山模拟)如图所示,在平直公路上行驶的厢式货车内,用轻绳AO、BO在O点悬挂质量为5 kg的重物,轻绳AO、BO与车顶部夹角分别为30°、60°。在汽车加速行驶过程中,为保持重物悬挂在O点位置不动,重力加速度为g,厢式货车的最大加速度为( )
A. B.
C. D.g
B
解析:B 对重物受力分析可得FAsin 30° +FBsin 60°=mg,FBcos 60°-FAcos 30°=ma,联立解得·-FA=ma,整理得FA=ma,当FA=0时,a取得最大值,为g,故选项B正确。
答案
解析
角度1 绳子断裂与松弛的临界问题
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(多选)(2025·湖北武汉模拟)如图所示,质量分别为2m和m的A、B两物块,静止叠放在水平地面上。A、B间的动摩擦因数为μ,B与地面间的动摩擦因数为0.5μ。最大静摩擦力等于滑动摩擦力,重力加速度为g。现对B施加一水平拉力F,则下列说法中正确的是( )
A.当F=2μmg时,A、B都相对地面静止
B.当F>3μmg时,A、B间相对滑动
C.当F=3μmg时,B的加速度等于0.5μg
D.无论F为何值,A的加速度不会超过μg
CD
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解析:CD 地面的最大静摩擦力为Ff地=0.5μ(2m+m)g=1.5μmg<F=2μmg,可知A、B都相对地面发生运动,A错误;物块A能够获得的最大加速度amax==μg,当F=3μmg时,假设A、B能够保持相对地面静止,则有3μmg-0.5μ(m+2m)=(m+2m)a1,解得a1=0.5μg<amax=μg可知,当F=3μmg时,A、B保持相对静止, B的加速度等于0.5μg,C正确;若A、B恰好发生相对运动,对A有amax==μg,对A、B有F2-0.5μ(2m+m)g=(2m+m)amax,解得F2=4.5μmg,可知当F>4.5μmg时,A、B间才能发生相对滑动,B错误;根据上述可知,物块A能够获得的最大加速度为amax=μg,即无论F为何值,A的加速度不会超过μg,D正确。
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如图所示,一弹簧一端固定在倾角为θ=37°的光滑固定斜面的底端,另一端拴住质量为m1=4 kg的物体P,Q为一质量为m2=8 kg的物体,弹簧的质量不计,劲度系数k=600 N/m,系统处于静止状态。现给Q施加一个方向沿斜面向上的力F,使它从静止开始沿斜面向上做匀加速运动,已知在前0.2 s时间内,F为变力,0.2 s以后F为恒力,已知sin 37°=0.6,cos 37°=0.8,取g=10 m/s2。求力F的最大值与最小值。
角度3 接触与脱离的临界问题
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解析:设开始时弹簧的压缩量为x0
由平衡条件得(m1+m2)g sin θ=kx0
代入数据解得x0=0.12 m
因前0.2 s时间内F为变力,之后为恒力,则0.2 s时刻两物体分离,此时P、Q之间的弹力为零,设此时弹簧的压缩量为x1,对物体P,由牛顿第二定律得
kx1-m1g sin θ=m1a
前0.2 s时间内两物体的位移x0-x1=at2
联立解得a=3 m/s2
对两物体受力分析知,开始运动时拉力最小,分离时拉力最大,故
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Fmin=(m1+m2)a=36 N
对Q应用牛顿第二定律得
Fmax-m2g sin θ=m2a
解得Fmax=m2(g sin θ+a)=72 N。
答案:72 N 36 N
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如图甲所示,一个质量m=0.5 kg的小物块(可看成质点),以v0=2 m/s的初速度在平行斜面向上的拉力F=6 N作用下沿斜面向上做匀加速运动,经t=2 s的时间物块由A点运动到B点,A、B之间的距离L=8 m,已知斜面倾角θ=37°,重力加速度g取10 m/s2,sin 37°=0.6,cos 37°=0.8。求:
(1)物块加速度a的大小;
(2)物块与斜面之间的动摩擦因数μ;
(3)若拉力F的大小和方向可调节,如图乙所示,为保持原加速度不变,F的最小值是多少。
角度4 动力学中的极值问题
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解析:(1)根据L=v0t+at2,
代入数据解得a=2 m/s2。
(2)根据牛顿第二定律有
F-mg sin θ-μmg cos θ=ma
代入数据解得μ=0.5。
(3)设F与斜面夹角为α,
平行斜面方向有F cos α-mg sin θ-μFN=ma
垂直斜面方向有FN+F sin α=mg cos θ
联立解得F=
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当sin (φ+α)=1时,F有最小值Fmin,
代入数据解得Fmin= N。
答案:(1)2 m/s2 (2)0.5 (3) N
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(选择题1~7题每题5分,8~9题每题6分,共47分)
[基础分组训练]
题组1 动力学中的图像问题
1.(多选)(2023·全国甲卷,19)用水平拉力使质量分别为m甲、m乙的甲、乙两物体在水平桌面上由静止开始沿直线运动,两物体与桌面间的动摩擦因数分别为μ甲和μ乙。甲、乙两物体运动后,所受拉力F与其加速度a的关系图线如图所示。由图可知( )
A.m甲<m乙 B.m甲>m乙
C.μ甲<μ乙 D.μ甲>μ乙
限时规范
训练(17)
BC
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解析:BC 对物体根据牛顿第二定律有F-μmg=ma,整理可得F=ma+μmg,则可知F-a图像的斜率为m,纵截距为μmg;由题图可看出,m甲>m乙,μ甲m甲g=μ乙m乙g,则μ甲<μ乙,故B、C正确。
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2.公共汽车进站时,刹车过程的加速度—时间图像如图所示,若它在6 s时恰好停在站台处,已知汽车质量约为5000 kg,重力加速度g取10 m/s2,则汽车在( )
A.0到6 s内的位移约等于30 m
B.0时刻的速度约为28 km/h
C.4 s时的加速度约为0.5 m/s2
D.4 s时受到外力的合力约为2500 N
B
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解析:B 由a-t图像中图线与t轴所围的面积表示速度的变化量,及题图可知,速度的变化量大小约为Δv=2×1 m/s+×(1.5+2)×2 m/s+×3×1.5 m/s=7.75 m/s,所以0时刻的速度约为v0=Δv=7.75 m/s=28 km/h,又因为公共汽车做加速度逐渐减小的减速运动,故0~6 s内的位移满足x<=23.25 m,故A错误,B正确;由题
图可知4 s时公共汽车的加速度约为1.0 m/s2,故
C错误;由牛顿第二定律可知4 s时公共汽车受到
外力的合力约为F=ma=5000 N,故D错误。
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3.(2024·广东卷,7)如图所示,轻质弹簧竖直放置,下端固定。木块从弹簧正上方H高度处由静止释放。以木块释放点为原点,取竖直向下为正方向,木块的位移为y,所受合外力为F,运动时间为t。忽略空气阻力,弹簧在弹性限度内。关于木块从释放到第一次回到原点的过程中,其F-y图像或y-t图像可能正确的是( )
B
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解析:B 在木块下落H高度之前,木块所受合外力为木块的重力保持不变,即F=mg,当木块接触弹簧后到合力为零前,F=mg-kΔy,随着Δy增大,F线性减小,当弹簧弹力大于木块的重力后到最低点过程中F=kΔy′-mg,木块所受合外力向上,随着Δy增大F线性增大,木块返回到原点过程是下落过程的逆过程,受力情况完全相同,A错误,B正确;
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同理,在木块下落H高度之前,木块做自由落体运动,根据y=gt2和v=gt可知速度逐渐增大,所以y-t图像为抛物线,斜率逐渐增大,当木块接触弹簧后到合力为零前,木块的速度继续增大,做加速度减小的加速运动,所以y-t图像斜率继续增大,当弹簧弹力大于木块的重力后到最低点过程中,木块所受合外力向上,木块做加速度增大的减速运动,所以y-t图像斜率减小,到达最低点后,木块向上运动,由对称性
可知,返回过程木块先做加速度减小的加速运动,再做加
速度增大的减速运动,最后做匀减速直线运动回到原点,
C、D错误。
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题组2 动力学中的临界、极值问题
4.(多选)在水平直轨道上运动的火车车厢内有一个倾角为30°的斜面,如图所示。小球的重力、绳对球的拉力、斜面对小球的弹力分别用G、T、FN表示,当火车以加速度a向右加速运动时,则( )
A.若a=20 m/s2,小球受G、T、FN三个力的作用
B.若a=20 m/s2,小球只受G、T两个力的作用
C.若a=10 m/s2,小球只受G、T两个力的作用
D.若a=10 m/s2,小球受G、T、FN三个力的作用
BD
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解析:BD 设火车加速度为a0时,小球刚好对斜面没有压力,对小球,根据牛顿第二定律可得=ma0,解得a0=m/s2。若a=20 m/s2,可知小球已经离开斜面,小球受到重力和绳子拉力两个力的作用,A错误,B正确;若a=10 m/s2,可知小球还没有离开斜面,小球受到重力、绳子拉力和斜面支持力三个力的作用,C错误,D正确。
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5.(多选)(2025·河北唐山模拟)光滑水平面上放有相互接触但不粘连的两个物体A、B,物体A质量m1=1 kg,物体B质量m2=2 kg。如图所示,作用在两物体A、B上的力随时间变化的规律分别为FA=3+2t(N)、FB=8-3t(N)。下列说法正确的是( )
A.t=0时,物体A的加速度大小为3 m/s2
B.t=1 s时,物体B的加速度大小为2.5 m/s2
C.t=1 s时,两物体A、B恰好分离
D.t= s时,两物体A、B恰好分离
BD
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解析:BD t=0时,FA0=3 N,FB0=8 N,设A和B的共同加速度大小为a,根据牛顿第二定律有FA0+FB0=(m1+m2)a,代入数据解得a= m/s2,A错误;由分析知,A和B开始分离时,A和B速度相等,无相互作用力,且加速度相同,根据牛顿第二定律有FA=m1a′、FB=m2a′,联立解得t= s,当t=1 s时,A、B已分离,FB1=5 N,对B由牛顿第二定律有aB==2.5 m/s2,C错误,B、D正确。
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6.(多选)(2025·甘肃天水模拟)如图所示,质量均为m的A、B两物块置于水平地面上,物块与地面间的动摩擦因数均为μ,物块间用一水平轻绳相连,绳中无拉力。现用水平力F向右拉物块A,假设最大静摩擦力等于滑动摩擦力。重力加速度为g。下列说法中正确的是( )
A.当0<F≤μmg时,绳中拉力为0
B.当μmg<F≤2μmg时,绳中拉力为F-μmg
C.当F>2μmg时,绳中拉力为
D.无论F多大,绳中拉力都不可能等于
ABC
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解析:ABC 当0<F≤μmg时,A受到拉力与静摩擦力的作用,二者可以平衡,绳中拉力为0,故A正确;当μmg<F≤2μmg时,整体受到拉力与摩擦力的作用,二者平衡,所以整体处于静止状态。此时A受到的静摩擦力到达最大即μmg,所以绳中拉力为F-μmg,故B正确;当F>2μmg时,对整体有a=,对B有a=,联立解得绳中拉力为F拉=,故C正确;由B的分析可知,当μmg<F≤2μmg时绳中拉力为F-μmg,绳中拉力可能等于,故D错误。
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7.如图所示,一足够长的木板上表面与木块之间的动摩擦因数μ=0.75,木板与水平面成θ角,让木块从木板的底端以初速度v0=2 m/s沿木板向上滑行,随着θ的改变,木块沿木板向上滑行的距离x将发生变化,重力加速度g=10 m/s2,x的最小值为( )
A.0.12 m
B.0.14 m
C.0.16 m
D.0.2 m
C
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解析:C 设沿斜面向上为正方向,木块的加速度为a,当木板与水平面成θ角时,由牛顿第二定律得-mg sin θ-μmg cos θ=ma,解得a=-g(sin θ+μcos θ),设木块的位移为x,有0-v02=2ax,根据数学关系知sin θ+μcos θ=sin (θ+α),其中tan α=μ=0.75,可得α=37°,当θ+α=90°时,加速度有最大值,为am=-gg,此时x有最小值,为xmin==0.16 m,故A、B、D错误,C正确。
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[创新提升训练]
8.(多选)如图甲所示,一倾角θ=30°的足够长斜面体固定在水平地面上,一个物块静止在斜面上。现用大小为F=kt(k为常量,F、t的单位分别为N和s)的拉力沿斜面向上拉物块,物块受到的摩擦力Ff随时间变化的关系图像如图乙所示,物块与斜面间的最大静摩擦力等于滑动摩擦力,重力加速度g取 m/s2。下列判断正确的是( )
A.物块的质量为1 kg
B.k的值为5 N/s
C.物块与斜面间的动摩擦因数为
D.t=3 s时,物块的加速度大小为4 m/s2
ABD
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解析:ABD t=0时Ff=mg sin θ=5 N,解得m=1 kg,故A正确;当t=1 s时,Ff=0,说明F=mg sin θ=5 N,由F=kt可知k=5 N/s,故B正确;由题图乙可知,滑动摩擦力μmg cos θ=6 N,解得μ=,故C错误;由F=μmg cos θ+mg sin θ,即kt0=6 N+5 N,解得t0=2.2 s,即2.2 s后物块开始向上滑动,当t=3 s时,F=15 N,则F-μmg cos θ-mg sin θ=ma,解得加速度大小为a=4 m/s2,故D正确。
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9.(多选)如图a,物块和木板叠放在实验台上,物块用一不可伸长的细绳与固定在实验台上的力传感器相连,细绳水平。t=0时,木板开始受到水平外力F的作用,在t=4 s时撤去外力。细绳对物块的拉力Ff随时间t变化的关系如图b所示,木板的速度v与时间t的关系如图c所示。木板与实验台之间的摩擦可以忽略。重力加速度取10 m/s2。由题给数据可以得出( )
A.木板的质量为1 kg
B.2~4 s内,力F的大小为0.4 N
C.0~2 s内,力F的大小保持不变
D.物块与木板之间的动摩擦因数为0.2
AB
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解析:AB 木板和实验台间的摩擦忽略不计,由题图b知,2 s后物块和木板间的滑动摩擦力大小F摩=0.2 N。由题图c知,2~4 s内,木板的加速度大小a1= m/s2= m/s2,撤去外力F后的加速度大小a2= m/s2=0.2 m/s2,设木板质量为m,根据牛顿第二定律,2~4 s内,F-F摩=ma1,4~5 s内,F摩=ma2,解得m=1 kg,
F=0.4 N,A、B正确;0~2 s内,F=Ff,
由题图b知,F随时间是均匀增加的,C错
误;因物块质量不可求,故由F摩=μm物g
可知动摩擦因数不可求,D错误。
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10.(10分)某运动员做跳伞训练,他从悬停在空中的直升机上由静止跳下,跳离飞机一段时间后打开降落伞做减速下落,他打开降落伞后的速度—时间图像如图甲所示。降落伞用8根对称的绳悬挂运动员,每根绳与中轴线的夹角均为37°,如图乙所示。已知运动员的质量为50 kg,降落伞质量也为50 kg,不计运动员所受的阻力,打开伞后伞所受阻力Ff与速度v成正比,即Ff=kv(g取10 m/s2,cos 37°=0.8,sin 37°=0.6)。
(1)打开降落伞前运动员下落的距离为多大?
(2)求阻力系数k和打开伞瞬间的加速度a的
大小和方向;
(3)绳能够承受的拉力至少为多少?
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解析:(1)打开降落伞前运动员做自由落体运动,根据速度位移公式得h0==20 m。
(2)由题图甲可知,当速度等于5 m/s时,运动员与降落伞做匀速运动,受力平衡,
有kv=2mg,解得k=200 N·s/m,
刚打开降落伞瞬间,根据牛顿第二定律得
a==30 m/s2,方向竖直向上。
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(3)设每根绳的拉力为FT,以运动员为研究对象,根据牛顿第二定律得
8FTcos 37°-mg=ma
解得FT=312.5 N
所以绳能够承受的拉力至少为312.5 N。
答案:(1)20 m
(2)200 N·s/m 30 m/s2 方向竖直向上 (3)312.5 N
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11.(13分)(2025·广东惠州模拟)如图所示,矩形拉杆箱上放着平底箱包,在与水平方向成α=37°的拉力F作用下,一起沿水平面从静止开始加速运动。已知箱包的质量m=1.0 kg,拉杆箱的质量M=9.0 kg,箱底与水平面间的夹角θ=37°,平底箱包与拉杆箱之间的动摩擦因数μ=0.5,不计其他摩擦阻力,最大静摩擦力等于滑动摩擦力,取g= m/s2,sin 37°=0.6,cos 37°=0.8。
(1)若F=25 N,求拉杆箱的加速度大小a;
(2)在(1)的情况下,求拉杆箱运动x=4.0 m 时的
速度大小v;
(3)要使箱包不从拉杆箱上滑出,求拉力的最大值Fm。
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解析:(1)若F=25 N,以整体为研究对象,水平方向根据牛顿第二定律可得
F cos α=(m+M)a
解得a=2 m/s2。
(2)根据速度与位移关系式可得v2=2ax
解得v=4 m/s。
(3)箱包恰好不从拉杆箱上滑出时,箱包与拉杆之间的弹力刚好为零,以箱包为研究对象,受到重力、支持力和摩擦力的作用,此时箱包的加速度为a0
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根据牛顿第二定律可得
FNsin θ+Ffcos θ=ma0
FNcos θ=mg+Ffsin θ,Ff=μFN
解得a0=20 m/s2
以整体为研究对象,
水平方向根据牛顿第二定律可得Fmcos α=(m+M)a0
解得拉力的最大值为Fm=250 N。
答案:(1)2 m/s2 (2)4 m/s (3)250 N
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专题突破5 动力学中的图像和临界极值问题
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