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)

2023 全国 第 10 题 多选题 区分题
2023_湖南卷 (2023·物理)

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

A. 若 B 球受到的摩擦力为零,则 $F=2 m g \tan \theta$
B. 若推力 $F$ 向左,且 $\tan \theta \leq \mu$ ,则 $F$ 的最大值为 $2 m g \tan \theta$
C. 若推力 $F$ 向左,且 $\mu<\tan \theta \leq 2 \mu$ ,则 $F$ 的最大值为 $4 m g(2 \mu-\tan \theta)$
D. 若推力 $F$ 向右,且 $\tan \theta>2 \mu$ ,则 $F$ 的范围为 $4 m g(\tan \theta-2 \mu) \leq F \leq 4 m g(\tan \theta+2 \mu)$
参考答案CD

完整解析 · 逐步详解

【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

$$ N_{y}=m g $$

$$ N_{x}=m g \tan \theta $$

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。

后面还有完整推导
免费注册即可看完这道题的全部步骤,并解锁同考点的易错点归纳。
免费注册看完整解析
✅ 来源:2023年 · 全国 · 2023_湖南卷 (2023·物理) · 第 10 题 · 本题已通过人工审核与系统自动校验

再练一道 · 同类压轴题

2024 区分题 · 2024_全国甲卷 (2024·物理)
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…
2024 区分题 · 2024_全国甲卷 (2024·物理)
如图,一绝缘细绳跨过两个在同一坚直面(纸面)内的光滑定滑轮,绳的一端连接一矩形金属线框,另一端…
2024 区分题 · 2024_新课标卷 (2024·物理)
如图,一长度 l=1.0 ~m 的均匀薄板初始时静止在一光滑平台上,薄板的右端与平台的边缘 O…

同类专题与考点

连接体问题高考真题 受力分析高考真题隔离法高考真题整体法高考真题正交分解高考真题临界极值分析高考真题 静摩擦与最大静摩擦混淆易错题临界条件遗漏易错题隐含条件忽略易错题

返回上层

物理全部真题2023年物理真题全国物理真题查看原卷:2023_湖南卷 (2023·物理)