10.如图,光滑水平地面上有一质量为 $2 m$ 的小车在水平推力 $F$ 的作用下加速运动。车厢内有质量均为 $m$的 A、B 两小球,两球用轻杆相连,A 球靠在光滑左壁上,B 球处在车厢水平底面上,且与底面的动摩擦因数为 $\mu$ ,杆与坚直方向的夹角为 $\theta$ ,杆与车厢始终保持相对静止假设最大静摩擦力等于滑动摩擦力。下列说法正确的是
如图,光滑水平地面上有一质量为 2 m 的小车在水平推力…——2023 高考物理第 10 题答案解析
2023_湖南卷 (2023·物理)
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【答案】CD
【解析】
【详解】A.设杆的弹力为 $N$ ,对小球 A:坚直方向受力平衡,则杆水平方向的分力与坚直方向的分力满足
$$ \frac{N_{x}}{N_{y}}=\tan \theta $$
坚直方向
$$ N_{y}=m g $$
则
$$ N_{x}=m g \tan \theta $$
若 B 球受到的摩擦力为零,对 B 根据牛顿第二定律可得
$$ N_{x}=m a $$
可得
$$ a=g \tan \theta $$
对小球 A、B 和小车整体根据牛顿第二定律
$$ F=4 m a=4 m g \tan \theta $$
A 错误;
B.若推力 $F$ 向左,根据牛顿第二定律可知加速度向左,小球 A 所受向左的合力的最大值为
$$ N_{x}=m g \tan \theta $$
对小球 B ,由于 $\tan \theta \leq \mu$ ,小球 B 受到向左的合力
$$ F=\mu\left(N_{y}+m g\right)-N_{x} \geq m g \tan \theta $$
则对小球 A,根据牛顿第二定律可得
$$ N_{x}=m a_{\max } $$
对系统整体根据牛顿第二定律
$$
F=4 m a_{\max }
$$
解得
$$
F=4 m g \tan \theta
$$
B 错误;
C.若推力 $F$ 向左,根据牛顿第二定律可知加速度向左,小球 A 所受向左的合力的最大值为
$$
N_{x}=m g \tan \theta
$$
小球 B 所受向左的合力的最大值
$$
F_{\max }=\left(N_{y}+m g\right) \cdot \mu-N_{x}=2 \mu m g-m g \tan \theta
$$
由于 $\mu<\tan \theta \leq 2 \mu$ 可知
$$
F_{\max }<m g \tan \theta
$$
则对小球 B,根据牛顿第二定律
$$
F_{\max }=2 \mu m g-m g \tan \theta=m a_{\max }
$$
对系统根据牛顿第二定律
$$
F=4 m a_{\max }
$$
联立可得 $F$ 的最大值为
$$
F=4 m g(2 \mu-\tan \theta)
$$
C 正确;
D.若推力 $F$ 向右,根据牛顿第二定律可知系统整体加速度向右,由于小球 A 可以受到左壁向右的支持力,理论上向右的合力可以无限大,因此只需要讨论小球 B 即可,当小球 B 所受的摩擦力向左时,小球B 向右的合力最小,此时
$$
F_{\min }=N_{x}-\left(N_{y}+m g\right) \mu=m g \tan \theta-2 \mu m g \tan \theta
$$
当小球所受摩擦力向右时,小球 B 向右的合力最大,此时
$$
F_{\max }=N_{x}+\left(N_{y}+m g\right) \mu=m g \tan \theta+2 \mu m g \tan \theta
$$
对小球 B 根据牛顿第二定律
$$
\begin{aligned}
& F_{\min }=m a_{\min } \\
& F_{\max }=m a_{\max }
\end{aligned}
$$
对系统根据牛顿第二定律
$$
F=4 m a
$$
代入小球 B 所受合力分范围可得 $F$ 的范围为
$$
4 m g(\tan \theta-2 \mu) \leq F \leq 4 m g(\tan \theta+2 \mu)
$$
D 正确。
故选 CD。