(16分)如图所示,将小砝码置于桌面上的薄纸板上,用水平向…——2013 高考物理第 16 题答案解析

2013_江苏 Paper

2013 Jiangsu Question 16 Free-response Differentiating
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16.(16分)如图所示,将小砝码置于桌面上的薄纸板上,用水平向右的拉力将纸板迅速抽出,砝码的移动很小,几乎观察不到,这就是大家熟悉的惯性演示实验。若砝码和纸板的质量分别为 $\mathbf { m } _ { 1 }$ 和 $\mathbf { m } _ { 2 }$ ,各接触面间的动摩擦因数均为μ.重力加速度为 ${ \mathrm { g } } ,$

(1)当纸板相对砝码运动时,求纸板所受摩擦力的大小;

(2)要使纸板相对砝码运动,求所需拉力的大小;

(3)本实验中, $\mathrm { m } _ { 1 } { = } 0 . 5 \mathrm { k g } , \ \mathrm { m } _ { 2 } { = } 0 . 1 \mathrm { k g } , \ \mu { = } 0 . 2$ ,砝码与纸板左端的距离d=0.1m,取g$= 1 0 \mathrm { m } / \mathrm { s } ^ { 2 }$ .若砝码移动的距离超过 l=0.002m,人眼就能感知。为确保实验成功,纸板所需的拉力至少多大?

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(1)对纸板进行受力分析,纸板在水平方向受到两个滑动摩擦力的作用:
一是砝码对纸板的摩擦力 $f_1$,大小为 $f_1 = \mu m_1 g$;
二是桌面对纸板的摩擦力 $f_2$,由于纸板对桌面的压力等于砝码和纸板的总重力,故 $f_2 = \mu (m_1 + m_2) g$。
纸板所受的总摩擦力大小为:
$$ f = f_1 + f_2 = \mu m_1 g + \mu (m_1 + m_2) g = \mu (2m_1 + m_2) g $$

(2)设砝码的加速度为 $a_1$,纸板的加速度为 $a_2$。
对砝码,由牛顿第二定律得:
$$ \mu m_1 g = m_1 a_1 \implies a_1 = \mu g $$
对纸板,由牛顿第二定律得:
$$ F - f_1 - f_2 = m_2 a_2 $$
即:
$$ F - \mu (2m_1 + m_2) g = m_2 a_2 $$
要使纸板相对砝码运动,必须满足 $a_2 > a_1$,即:
$$ \frac{F - \mu (2m_1 + m_2) g}{m_2} > \mu g $$
解得:
$$ F > \mu (2m_1 + m_2) g + \mu m_2 g = 2\mu (m_1 + m_2) g $$

(3)设纸板抽出前,砝码运动的加速度为 $a_1$,时间为 $t_1$,位移为 $x_1$;纸板运动的加速度为 $a_2$,位移为 $x_{board}$。
纸板抽出后,砝码在桌面上做匀减速运动,加速度大小仍为 $a_3 = \mu g = a_1$(因为动摩擦因数相同),设减速运动时间为 $t_2$,位移为 $x_2$。

根据运动学公式:
纸板抽出时,砝码的速度 $v = a_1 t_1$。
此后砝码减速至停止,由 $v = a_3 t_2$ 且 $a_1=a_3$,可得 $t_1 = t_2$。
砝码加速阶段位移:$x_1 = \frac{1}{2} a_1 t_1^2$
码减速阶段位移:$x_2 = \frac{1}{2} a_3 t_2^2 = \frac{1}{2} a_1 t_1^2 = x_1$
故砝码移动的总距离 $l_{total} = x_1 + x_2 = 2x_1 = a_1 t_1^2$。
题目要求人眼无法感知,即 $l_{total} \le l = 0.002 \text{m}$。
所以:
$$ a_1 t_1^2 \le 0.002 $$
代入 $a_1 = \mu g = 0.2 \times 10 = 2 \text{m/s}^2$,得:
$$ 2 t_1^2 \le 0.002 \implies t_1^2 \le 0.001 \implies t_1 \le \sqrt{0.001} \text{s} $$

在时间 $t_1$ 内,纸板的位移 $x_{board}$ 应满足几何关系:
$$ x_{board} - x_1 = d $$
即:
$$ \frac{1}{2} a_2 t_1^2 - \frac{1}{2} a_1 t_1^2 = d $$
$$ \frac{1}{2} (a_2 - a_1) t_1^2 = d $$
$$ a_2 - a_1 = \frac{2d}{t_1^2} $$
要使拉力最小,对应加速度 $a_2$ 最小,此时 $t_1$ 取最大值 $\sqrt{0.001}$。
$$ a_2 - 2 = \frac{2 \times 0.1}{0.001} = 200 $$
$$ a_2 = 202 \text{m/s}^2 $$

对纸板应用牛顿第二定律求最小拉力 $F$:
$$ F - \mu (2m_1 + m_2) g = m_2 a_2 $$
代入数据 $m_1=0.5, m_2=0.1, \mu=0.2, g=10$:
摩擦力项:$\mu (2m_1 + m_2) g = 0.2 \times (1.0 + 0.1) \times 10 = 2.2 \text{N}$
惯性力项:$m_2 a_2 = 0.1 \times 202 = 20.2 \text{N}$
$$ F = 2.2 + 20.2 = 22.4 \text{N} $$
故纸板所需的拉力至少为 22.4 N。

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