Question

如圖所示，可視為質(zhì)點(diǎn)的三物塊A、B、C放在傾角為θ=30°、長(zhǎng)為L=2m的固定斜面上，三物塊與斜面間的動(dòng)摩擦因數(shù)均為μ=，A與B緊靠在一起，C緊靠在固定擋板上，其中A為不帶電的絕緣體，B、C所帶電荷量分別為q_B=+4.0×10^-5C、q_C=+2.0×10^-5C且保持不變，A、B的質(zhì)量分別為m_A=0.80kg、m_B=0.64kg．開(kāi)始時(shí)三個(gè)物塊均能保持靜止?fàn)顟B(tài)，且此時(shí)A、B兩物體與斜面間恰無(wú)摩擦力作用．如果選定兩點(diǎn)電荷在相距無(wú)窮遠(yuǎn)處的電勢(shì)能為零，則相距為r時(shí)，兩點(diǎn)電荷具有的電勢(shì)能可表示為EP=k．為使A在斜面上始終做加速度為a=1.5m/s²的勻加速直線運(yùn)動(dòng)，現(xiàn)給A施加一平行于斜面向上的力F，已知經(jīng)過(guò)時(shí)間t后，力F的大小不再發(fā)生變化．當(dāng)A運(yùn)動(dòng)到斜面頂端時(shí)，撤去外力F．求：
（1）未施加力F時(shí)物塊B、C間的距離；
（2）t時(shí)間內(nèi)A上滑的距離；
（3）t時(shí)間內(nèi)庫(kù)侖力做的功；
（4）在A由靜止開(kāi)始到運(yùn)動(dòng)至斜面頂端的過(guò)程中，力F對(duì)A做的總功．

Answer 1

【答案】分析：（1）未施加力F時(shí)，A、B處于靜止?fàn)顟B(tài)，合力為零，根據(jù)平衡條件和庫(kù)侖定律求解物塊B、C間的距離．
（2）給A施加力F后，A、B沿斜面向上做勻加速直線運(yùn)動(dòng)，C對(duì)B的庫(kù)侖斥力逐漸減小，A、B之間的彈力也逐漸減小，經(jīng)過(guò)時(shí)間t物體A、B分離時(shí)，它們之間的彈力變?yōu)榱悖�根�?jù)牛頓第二定律和庫(kù)侖定律結(jié)合可求出t時(shí)間內(nèi)A上滑的距離．
（3）t時(shí)間內(nèi)庫(kù)侖力做的功等于B的電勢(shì)能的變化，根據(jù)功能關(guān)系求解．
（4）對(duì)系統(tǒng)運(yùn)用動(dòng)能定理，求出變力F對(duì)物體做功；再由牛頓第二定律與功的表達(dá)式，求出恒力F對(duì)物體做的功，最后兩者之和即為力F對(duì)物塊A做的總功．
解答：解：（1）未施加力F時(shí)，A、B、C處于靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)，設(shè)B、C間距離為L(zhǎng)₁，則 C對(duì)B的庫(kù)侖斥力：
F=
以A、B為研究對(duì)象，根據(jù)力的平衡：F=（m_A+m_B）gsin30°
聯(lián)立解得：L₁=1.0m
（2）給A施加力F后，A、B沿斜面向上做勻加速直線運(yùn)動(dòng)，C對(duì)B的庫(kù)侖斥力逐漸減小，A、B之間的彈力也逐漸減�。�經(jīng)過(guò)時(shí)間t，B、C間距離設(shè)為L(zhǎng)₂，A、B兩者間彈力減小到零，此后兩者分離，力F變?yōu)楹懔Γ畡tt時(shí)刻C對(duì)B的庫(kù)侖斥力為：F₁=k…①
以B為研究對(duì)象，由牛頓第二定律有：
F₁-m_Bgsin30°-μm_Bgcos30°=m_Ba…②
聯(lián)立①②解得：L₂=1.2m
則t時(shí)間內(nèi)A上滑的距離：△L=L₂-L₁=0.2m
（3）設(shè)t時(shí)間內(nèi)庫(kù)侖力做的功為W，由功能關(guān)系有：
W=k-k代入數(shù)據(jù)解得：W=1.2J…③
（4）設(shè)在t時(shí)間內(nèi)，末速度為v₁，力F對(duì)A物塊做的功為W₁，由動(dòng)能定理有：
 W₁+W+W_G+W_f=（m_A+m_B）…④
而 W_G=-（m_A+m_B）g?△Lsin30°…⑤
W_f=-μ（m_A+m_B）g?△Lcos30°…⑥
又A做勻加速運(yùn)動(dòng)，則有：=2a△L…⑦
由③～⑦式解得：E₁=1.05J
經(jīng)過(guò)時(shí)間t后，A、B分離，力F變?yōu)楹懔�，�?duì)A由牛頓第二定律有：
  F-m_Agsin30°-μm_Agcos30°=m_Aa…⑧
力F對(duì)A物塊做的功：W₂=F（L-L₂）…⑨
由⑧⑨式代入數(shù)據(jù)得：W₂=5J
則力F對(duì)A物塊做的功：W=W₁+W₂=6.05J
答：
（1）未施加力F時(shí)物塊B、C間的距離為1m：
（2）t時(shí)間內(nèi)A上滑的距離是0.2m；
（3）t時(shí)間內(nèi)庫(kù)侖力做的功是1.2J；
（4）力F對(duì)A物塊做的總功為6.05J．
點(diǎn)評(píng)：本題的設(shè)計(jì)屬于陳題翻新．本題與含有彈簧的問(wèn)題類(lèi)似，用電勢(shì)能代替彈性勢(shì)能，保留重力的分立代替原重力．考查功能很直接：一是考查學(xué)生能否用熟悉的方法解決相似問(wèn)題的能力，二是能否綜合應(yīng)用幾乎全部力學(xué)規(guī)律（勻變速運(yùn)動(dòng)、牛頓第二定律、能量守恒定律）解決問(wèn)題，不失為一道立意鮮明難度適當(dāng)?shù)暮玫木C合題．