
如图所示,卡车A上放有一块木板B,木板与卡车间的动摩擦因数μ1=0.5,木板质量m=100kg.木板右侧壁(厚度不计)到左端的距离d=2m,到驾驶室距离D=4m.一质量与木板相等的货物C(可视为质点)放在木板的左端,货物与木板间的动摩擦因数μ2=0.1.现卡车、木板及货物整体以V0=10m/s的速度匀速行驶在平直公路上。某时刻,司机发现前方有交通事故后以a=-5m/s2的恒定加速度刹车,直到停下。司机刹车后瞬间,货物相对木板滑动,木板相对卡车静止.货物与木板右侧壁碰撞后粘在一起,碰撞时间极短。设最大静摩擦力等于滑动摩擦力,重力加速度g取10m/s2.
这段话里给出如下信息:
第一,“司机刹车后瞬间,货物相对木板滑动,木板相对卡车静止.”这就是板块模型问题,模板相对卡车静止,也就是匀减速,货物相对木板滑动,也就是货物的加速度要比木板的小
第二,“货物与木板右侧壁碰撞后粘在一起,碰撞时间极短。”这里是完全非弹性碰撞模型----碰撞之后共速
第三,"木板与卡车间动摩擦因数为μ1=0.5,货物与木板之间的动摩擦因数μ2=0.1,"也就是没有外力作用,之后三种常见力,货物的加速度一定不大于木板的加速度
第四,"货物与木板的质量都是m=100kg,重力加速度g取10m/s2",加上水平面,就可以计算出重力,支持力和滑动摩擦力,以及各自的加速度
第五,“现卡车、木板及货物整体以V0=10m/s的速度匀速行驶在平直公路上。某时刻,司机发现前方有交通事故后以a=-5m/s2的恒定加速度刹车,直到停下。”也就是卡车、木板和货物的初速度为V0=10m/s,卡车与木板的加速度为a=-5m/s2
第六,“木板右侧壁(厚度不计)到左端的距离d=2m,到驾驶室距离D=4m”,这里给了两个距离,应该是木板可以相对卡车的位移和木板长度,也就是货物相对木板的最大位移
求:
(1)在刹车过程中,货物与木板右侧壁碰撞前,货物的加速度大小:
单纯的求解加速度,而且题目中的条件里有“货物相对木板滑动”这一条件,也就是货物与木板之间的摩擦力是滑动摩擦力,那么受力分析和牛顿第二定律就可以解决这一问了
因此,解题步骤
第一步,对物体受力分析,表示出滑动摩擦力
第二步,根据牛顿第二定律,表示出加速度与合理关系
第三步,求出加速度大小
这一问比较简单,比较像是高一时的问题。
(2)在刹车过程中,货物与木板右侧壁碰撞前,木板受到卡车的摩擦力大小:
根据题目给的条件“木板相对卡车静止”,也就是木板与卡车间的摩擦力是静摩擦力,也就是木板与卡车的速度相同、加速度相同,而卡车的加速度为a=-5m/s2,也就是卡车加速度大小也是5m/s2,方向与速度方向相反!
再根据第一问可以知道,还受着货物对木板的滑动摩擦力,摩擦力方向向前,所以可以根据牛顿第二定律求出木板与卡车之间的摩擦力大小
因此,解题步骤
第一步,对木板受力分析,求出合力的表达式
第二步,根据牛顿第二定律,列出表达式
第三步,求出木板所受卡车的摩擦力大小
这一问难度也不大,属于中等生都可以做对的
(3)木板最终是否会与驾驶室相碰?如果不会,最终木板右侧与驾驶室相距多远?
这一问“是否会”这三个字一出现,就知道是一个判断性问题,这类问题的一般性解法就是假设法!
因此,可以假设会相撞,也可以假设不会相撞!
相撞的意思是木板与卡车相对位移为D=4m时速度不为零!如果不相撞,那就是相对静止时位移不大于D=4m!----速度相等时只能是追上,不是撞上!
所以,这里就需要求这个过程中,木板如何运动!
最初木板与卡车相对静止,以较大的加速度减速,货物的加速度较小,所以会在木板的右端与木板碰撞,然后共速,这时木板的速度就大于卡车的速度,木板与卡车相对运动!但碰撞过程动量守恒,那么必然要知道碰撞之前木板的速度,所以就要求货物运动到木板右端的时候木板的速度,也就是要判断木板是否停下来了,又要用假设法!
因此,解题步骤
第一步,假设货物追上木板时木板还没有停下,则根据条件和运动学规律计算出t1=1s
第二步,计算此时木板的速度V1=5m/s>0,假设成立,即货物追上木板时木板的速度为5m/s
第三步,根据速度时间公式,计算出此时货物的速度V2
第三步,根据碰撞过程动量守恒,建立关系式,求出碰后木板与货物的速度V3
第四步,根据牛顿第二定律,计算此时木板与货物的加速度
第五步,假设木板没有与驾驶室相碰,因为V3>V1即木板速度大于卡车速度,但减速的加速度相同,所以卡车先停下!
第六步,计算出碰撞后到停下卡车运动的位移X1
第七步,计算出木板碰撞到停下所运动的位移X2,根据X1+D>X2可知,木板没有追上卡车驾驶室,假设成立
第八步,所以,木板最终没有与驾驶室相碰!
