Question

如圖所示，在光滑水平地面上，靜放著一質(zhì)量m₁=0.2kg的絕緣平板小車(chē)，小車(chē)的右邊處在以PQ為界的勻強(qiáng)電場(chǎng)中，電場(chǎng)強(qiáng)度E₁=1×10⁴V/m，小車(chē)上A點(diǎn)正處于電場(chǎng)的邊界．質(zhì)量m₂=0.1kg、帶電量q=6×10^-5C的帶正電小物塊（可視為質(zhì)點(diǎn)）置于A點(diǎn)，其與小車(chē)間的動(dòng)摩擦因數(shù)μ=0.40（且最大靜摩擦力與滑動(dòng)摩擦力相等）．現(xiàn)給小物塊一個(gè)v=6m/s向右的初速度．當(dāng)小車(chē)速度減為零時(shí)，電場(chǎng)強(qiáng)度突然增強(qiáng)至，而后保持此值不變．若小物塊不從小車(chē)上滑落，取g=10m/s²．試解答下列問(wèn)題：
（1）小物塊最遠(yuǎn)能向右走多遠(yuǎn)？
（2）小車(chē)、小物塊的最終速度分別是多少？
（3）車(chē)的長(zhǎng)度應(yīng)滿足什么條件？

Answer 1

【答案】分析：（1）先分析小物塊與小車(chē)的運(yùn)動(dòng)情況：小物塊水平方向受向左的電場(chǎng)力與滑動(dòng)摩擦力做減速運(yùn)動(dòng)，而小車(chē)受摩擦力向右做勻加速運(yùn)動(dòng)，當(dāng)速度相等后，受力情況發(fā)生了變化，兩者可能相對(duì)靜止，也可能相對(duì)滑動(dòng)．根據(jù)牛頓第二定律分別求出兩者的加速度，由速度公式列式，求出相等的速度，再由牛頓第二定律分析速度相等后能否相對(duì)靜止．運(yùn)用運(yùn)動(dòng)學(xué)公式分段求出小物塊運(yùn)動(dòng)的距離．即得到向右運(yùn)動(dòng)的總路程．
（2）先牛頓第二定律和運(yùn)動(dòng)學(xué)公式結(jié)合，求出物塊沖出電場(chǎng)時(shí)，兩者的速度大小，若不從小車(chē)上滑落，兩者最終會(huì)達(dá)至共同速度，根據(jù)動(dòng)量守恒求出共同速度．
（3）根據(jù)能量守恒求車(chē)的長(zhǎng)度．
解答：解：（1）小物塊水平方向受向左的電場(chǎng)力與滑動(dòng)摩擦力做減速運(yùn)動(dòng)，而小車(chē)受摩擦力向右做勻加速運(yùn)動(dòng)．
設(shè)小車(chē)與小物塊的加速度分別為a₁、a₂，由牛頓定律得：
對(duì)小物塊 qE₁+μm₂g=m₂a₂

 
對(duì)于小車(chē)μm₂g=m₁a₁
 
設(shè)經(jīng)t₁秒兩者速度相同，則由v_t=v-at得：
對(duì)小物塊有：v_t=6-10t₁
對(duì)小車(chē)有：v'_t=2t₁
由以上二式得：6-10t₁=2t₁
解得：t₁=0.5（s），共同速度為：1m/s．
當(dāng)兩者達(dá)到共同速度后，受力情況發(fā)生了變化，其水平方向的受力如圖所示：



若設(shè)兩物體時(shí)只受電場(chǎng)力作用下一起做減速運(yùn)動(dòng)時(shí)其加速度為a₃，
則由牛頓第二定律得：F=（m₁+m₂）a₃
 
設(shè)兩者間摩擦力達(dá)最大靜摩擦，設(shè)小車(chē)及小物塊做減速運(yùn)動(dòng)的加速度分別為a₄、a₅，則：
 
 
由于a₃=a₄=a₅，故兩者不會(huì)相對(duì)滑動(dòng)，而是以2m/s²的共同加速度做減速運(yùn)動(dòng)，直至共同速度減為零
小物塊第一段運(yùn)動(dòng)的位移
第二段運(yùn)動(dòng)的位移
故小物塊向右運(yùn)動(dòng)最遠(yuǎn)的位移s=1.75m+0.25m=2m
（2）當(dāng)小物塊及小車(chē)的速度減為零后，其受力如圖，由牛頓第二定律得：

小物塊的加速度
此時(shí)小車(chē)的加速度
設(shè)小物塊經(jīng)t₂秒沖出電場(chǎng)，此時(shí)小物塊及小車(chē)速度分別為v₃與v₄．則：
對(duì)小物塊∵
∴
對(duì)小物塊
對(duì)小車(chē)
當(dāng)小物塊沖出電場(chǎng)后，若不從小車(chē)上滑落，兩者最終會(huì)達(dá)至共同速度，設(shè)此速度為v₅．
由系統(tǒng)動(dòng)量守恒得：m₂v₃+m₁v₄=（m₁+m₂）v₅
 
（3）設(shè)小車(chē)長(zhǎng)為L(zhǎng)，由系統(tǒng)能量守恒得：
 =
解得：L=3m
解法二：設(shè)小車(chē)向左運(yùn)動(dòng)直至與小物塊達(dá)到共同速度前的總位移為s₄，由于小車(chē)向左加速的加速度也始終為2m/s²，最終速度為，故：
設(shè)小物塊出電場(chǎng)后向左運(yùn)動(dòng)，直至與小車(chē)達(dá)到共同速度前的位移為s₆，設(shè)此過(guò)程中的加速度為a₇．則：
因小物塊向左加速運(yùn)動(dòng)2m后才沖出電場(chǎng)，故小物塊向左運(yùn)動(dòng)的總位移s₇為s₇=s₆+2=3+2=5（m）
由此可知小物塊相對(duì)小車(chē)運(yùn)動(dòng)的位移為s₇-s₄=5m-2m=3m
即小車(chē)長(zhǎng)度至少為3m
答：
（1）小物塊最遠(yuǎn)能向右走2m．
（2）小車(chē)、小物塊的最終速度分別是m/s，m/s．
（3）車(chē)的長(zhǎng)度應(yīng)為3m．
點(diǎn)評(píng)：本題是考查牛頓運(yùn)動(dòng)定律、電場(chǎng)力、勻變速運(yùn)動(dòng)規(guī)律、動(dòng)量守恒定律知識(shí)，考查考生對(duì)物理過(guò)程的綜合分析能力、應(yīng)用數(shù)學(xué)處理物理問(wèn)題的能力．