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第4讲 运动的相关性
题一：如图所示，一直立的轻杆长为L，在其下、上端各紧套一个质量分别为m和2m的圆环状弹性物块A、B。A、B与轻杆间的最大静摩擦力分别是Ff1＝mg、Ff2＝2mg，且滑动摩擦力与最大静摩擦力大小相等。杆下方存在这样一个区域：当物块A进入该区域时受到一个竖直向上的恒力F作用，而B在该区域运动时不受作用，PQ、MN是该区域上、下水平边界，高度差为h（L＞2h）。现让杆的下端从距离上边界PQ高h处由静止释放，重力加速度为g。
（1）为使A、B间无相对运动，求F应满足的条件。
（2）若F＝3mg，求物块A到达下边界MN时A、B间的距离。
题二：某电视台在娱乐节目中曾推出一个游戏节目——推矿泉水瓶。选手们从起点开始用力推瓶子一段时间后，放手让它向前滑动，若瓶子最后停在桌上有效区域内（不能压线）视为成功；若瓶子最后没有停在桌上有效区域内或在滑行过程中倒下均视为失败。其简化模型如图所示，AC是长度L1＝5.5 m的水平桌面，选手们将瓶子放在A点，从A点开始用一恒定不变的水平推力推它，BC为有效区域。已知BC长度L2＝1.1 m，瓶子质量m＝0.5 kg，与桌面间的动摩擦因数μ＝0.2，g＝10 m/s2 。某选手作用在瓶子上的水平推力F＝11 N，瓶子沿AC做直线运动，假设瓶子可视为质点，该选手要想游戏获得成功，试求在手推瓶子过程中，瓶子的位移取值范围。（取＝2.2）
题三：水平地面上停放一长度为L＝2 m的小车，已知该车在某外力的作用下一直沿水平方向向右做匀速直线运动，速度为v0＝4 m/s。在小车运动的过程中，将一质量为m＝1 kg的可视为质点的小铁块无初速地放到小车上表面上距离小车右端1 m处，已知小铁块与小车上表面间的动摩擦因数为μ＝0.2，重力加速度g＝10 m/s2。则：
（1）整个运动过程中，小铁块会不会从小车的上表面掉下来？
（2）如果在小铁块放上小车的同时，给小铁块施加一水平向右的恒力F，为使小铁块不会从小车上表面的最左端掉下来，恒力F的取值范围是多少？
题四：在高速公路上经常可以看到大货车拉着钢板而后车厢是敞开的，这种情况下如果钢板从车厢上滑落，将对后面的车辆造成致命的危险。在紧急刹车的情况下钢板对驾驶室也极易造成破坏，危及驾驶员的生命。假设该货车车厢的长度为L，车厢内载有一块质量分布均匀、长度也为L的钢板，钢板的质量为m。已知钢板前端与车厢壁接触，钢板与车厢底板间的动摩擦因数为，重力加速度为g。忽略空气阻力的影响。
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（1）若货车突然加速，为了使钢板不掉下来，则货车的加速度最大值为多少？（最大静摩擦力近似等于滑动摩擦力大小）
（2）若车厢的前端能承受的最大水平力为F，为了安全，则货车刹车的最大加速度为多少？
（3）若货车以加速度a0做匀加速运动，在运动过程中钢板与货车间发生相对滑动，经过多长时间钢板开始往下掉？
题五：如图所示，长为L＝2 m、质量为M＝8 kg的木板，放在水平地面上，木板向右运动的速度v0＝6 m/s时，在木板前端轻放一个大小不计、质量为m＝2 kg的小物块。木板与地面、物块与木板间的动摩擦因数均为μ＝0.2，g＝10 m/s2。求：
（1）物块及木板的加速度大小；
（2）物块滑离木板时的速度大小。
题六：如图所示，质量为m的长木块A静止于光滑水平面上，在其水平的上表面左端放一质量为m的滑块B，已知木块长为L，它与滑块之间的动摩擦因数为μ，现用水平向右的恒力F拉滑块B。
（1）当长木块A的位移为多少时，B从A的右端滑出？
（2）求上述过程中滑块与木块之间产生的内能。
题七：如图甲所示，滑块与足够长的木板叠放在光滑水平面上，开始时均处于静止状态。作用于滑块的水平力F随时间t变化的图象如图乙所示，t＝2.0 s时撤去力F，最终滑块与木板间无相对运动。已知滑块质量m＝2 kg，木板质量M＝1 kg，滑块与木板间的动摩擦因数μ＝0.2，取g＝10 m/s2。求：
（1）t＝0.5 s时滑块的速度大小；
（2）0～2.0 s内木板的位移大小；
（3）整个过程中因摩擦产生的热量。
题八：如图所示，以水平地面建立x轴，有一个质量为m＝1 kg的木块放在质量为M＝2 kg的长木板上，木板长L＝11.5 m。已知木板与地面的动摩擦因数为μ1＝0.1，m与M之间的动摩擦因数μ2＝0.9（设最大静摩擦力等于滑动摩擦力）。m与M保持相对静止共同向右运动，已知木板的左端A点经过坐标原点O时的速度为v0＝10 m/s，在坐标为x＝21 m处的P点有一挡板，木板与挡板瞬间碰撞后立即以原速率反向弹回，而木块在此瞬间速度不变，若碰后立刻撤去挡板，g取10 m/s2，求：
（1）木板碰挡板时的速度v1；
（2）碰后M与m刚好共速时的速度；
（3）最终木板停止运动时AP间距离。
题九：如图（a）所示，“”形木块放在光滑水平地面上，木块水平表面AB粗糙，光滑表面BC与水平面夹角为θ＝37°。木块右侧与竖直墙壁之间连接着一个力传感器，当力传感器受压时，其示数为正值；当力传感器被拉时，其示数为负值。一个可视为质点的滑块从C点由静止开始下滑，运动过程中，传感器记录到的力和时间的关系如图（b）所示。已知sin 37°＝0.6，cos 37°＝0.8，g取10 m/s2。求：
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（1）斜面BC的长度；
（2）滑块的质量；
（3）运动过程中滑块发生的位移。
题十：如图所示，质量为M的长木板，静止放置在粗糙水平地面上，有一个质量为m、可视为质点的物块，以某一水平初速度从左端冲上木板。在物块冲上木板到物块和木板达到共同速度的过程中，物块和木板的v－t图象分别如图中的折线acd和bcd所示，a、b、c、d点的坐标为a（0，10）、b（0，0）、c（4，4）、d（12，0）。根据v－t图象，（g取10 m/s2），求：
（1）物块冲上木板做匀减速直线运动的加速度大小a1，木板开始做匀加速直线运动的加速度大小a2，达到相同速度后一起做匀减速直线运动的加速度大小a；
（2）物块质量m与长木板质量M之比；
（3）物块相对长木板滑行的距离Δx。
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运动的相关性
题一：（1）F≤ mg （2）L－h
详解：（1）设A、B与杆不发生相对滑动时的共同加速度为a，A与杆的静摩擦力为FfA。对A、B和杆的整体有3mg－F＝3ma，对A有mg＋FfA－F＝ma且FfA ≤ Ff1，
联立解得F≤ mg。
（2）A到达上边界PQ时的速度vA＝。
当F＝3mg时，A相对轻杆向上滑动，设A的加速度为a1，则有mg＋Ff1－F＝ma1，
解得a1＝－g。
A向下做减速运动的位移为h时，速度刚好减小到零，此过程运动的时间t＝。
由于杆的质量不计，在此过程中，A对杆的摩擦力与B对杆的摩擦力方向相反，大小均为mg，B受到杆的摩擦力小于2mg，则B与轻杆相对静止。
B和轻杆整体受到重力和A对杆的摩擦力作用，以vA为初速度，以a2为加速度做匀加速直线运动，根据牛顿第二定律可得a2＝＝，
物块A到达下边界MN时A、B之间的距离ΔL＝L＋h－（vAt＋a2 t2）＝L－h。
题二：0.4 m～0.5 m
详解：要想获得成功，瓶子滑到B点时速度恰好为0，力作用时间最短，滑到C点时速度恰好为0，力作用时间最长。设力作用时的加速度为a1、位移为x1，撤力时瓶子的速度为v1，撤力后瓶子的加速度为a2、位移为x2，则有F－μmg＝ma1，－μmg＝ma2，2a1x1＝v，2a2x2＝－v，L1－L2
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