Question

15．平時(shí)擦玻璃時(shí)，我們經(jīng)常會(huì)用到如圖甲所示的“魔力刷”．使用時(shí)，兩個(gè)一樣的刷子分別位于玻璃窗戶玻璃板的兩側(cè)，兩刷子靠磁鐵的吸引力吸在玻璃上，當(dāng)移動(dòng)其中一塊刷子時(shí)，另一塊刷子會(huì)跟到移動(dòng)，達(dá)到同時(shí)清潔玻璃內(nèi)外側(cè)的目的．已知：某種品牌玻璃刷的每個(gè)刷子的質(zhì)量都為m，與玻璃的滑動(dòng)摩擦因數(shù)均為μ=$\frac{\sqrt{3}}{6}$，且最大靜摩擦力等于滑動(dòng)摩擦力，重力加速度取g．

（1）將其中一個(gè)刷子用與豎直方向成θ=$\frac{π}{3}$的推力壓在豎直玻璃上，如圖乙所示，現(xiàn)要把刷子沿豎直方向向上推動(dòng)，求推力的最小值
（2）把兩個(gè)刷子對(duì)齊分別放在豎直玻璃板的兩側(cè)，如圖丙所示，現(xiàn)用與豎直方向成α=$\frac{π}{3}$，大小為F₀=6mg的拉力向下拉動(dòng)內(nèi)側(cè)的刷子時(shí)，外側(cè)刷子將立即跟著移動(dòng)且很快與內(nèi)側(cè)刷子保持相對(duì)靜止．此時(shí)刷子磁鐵間的吸引力在垂直玻璃板面方向的分量恒為6$\sqrt{3}$mg，求刷子間的磁鐵吸引力在沿玻璃板面切線方向的分量．
（3）假設(shè)玻璃是邊長(zhǎng)為L(zhǎng)的正方形，刷子是邊長(zhǎng)為d的正方形；當(dāng)兩刷子的正對(duì)面積大于一半時(shí)，刷子磁鐵間的吸引力的垂直分量和切向分量均不變，當(dāng)兩刷子的正對(duì)面積小于或等于一半時(shí)，兩刷子就無(wú)法吸引在一起．在（2）的情況下，若拉力方向不變，大小變?yōu)?\frac{271}{45}$mg，要使一次性向下拉動(dòng)刷子就可以完成清理玻璃的豎邊，求$\frac{L}8hyqhvh$的取值范圍．

Answer 1

分析 對(duì)刷子受力分析，正交分解，根據(jù)平衡條件求推力F的大��；
分別對(duì)左右兩側(cè)磁刷受力分析，正交分解，根據(jù)平衡條件列方程求解

解答 解：（1）如圖由受力分析知：

水平方向Fsinα=F_N①；
豎直方向：Fcosα=G+μF_N②．
由①②得F=4mg
（2）設(shè)磁力刷垂直玻璃板方向的分力為F₂，切向方向的分力為F₁．
如圖對(duì)左右兩刷子受力分析可知：

左側(cè)磁刷：水平方向F_N1=F₂③；
豎直方向G+F₁-μF_N1=ma④；
右側(cè)磁刷：水平方向F₂=F₀sinθ+F_N2⑤；
豎直方向G+F₀cosθ-F₁-μ（F₂-F₀sinθ）=ma⑥；
由③④⑤⑥得a=$\frac{g}{4}$；
F₁=$\frac{9mg}{4}$
（3）因?yàn)镕=$\frac{271}{45}$mg＞6mg，
所以左側(cè)磁刷a₁=$\frac{g}{4}$ ⑦，
右側(cè)磁刷a₂=$\frac{G+Fcosθ-{F}_{1}-μ（{F}_{2}-Fsinθ）}{m}$=$\frac{4}{15}$g⑧
由運(yùn)動(dòng)分析知：右側(cè)磁刷從上到下運(yùn)動(dòng)的位移x₂=L-d=$\frac{1}{2}$a₂t²⑨；
當(dāng)右側(cè)到達(dá)下面時(shí)，左側(cè)磁刷運(yùn)動(dòng)的位移x₁=L-$\frac{3}{2}$d=$\frac{1}{2}$a₁t²=10 ⑩，
由⑦⑧⑨⑩得$\fracdr2lvsk{L}$=$\frac{1}{9}$
答：
（1）推力的最小值為4mg；
（2）刷子間的磁鐵吸引力在沿玻璃板面切線方向的分量為$\frac{9}{4}$mg．
（3）$\fracs7qm8qq{L}$的取值范圍為$\fracjmlwagp{L}$≤$\frac{1}{9}$．

點(diǎn)評(píng) 本題屬于實(shí)際問(wèn)題，關(guān)鍵是將實(shí)際問(wèn)題轉(zhuǎn)化為對(duì)應(yīng)的物理模型，考查了建模能力，是一道考查能力的好題．