Question

（2013?安徽）如圖所示，質(zhì)量為M傾角為α的斜面體（斜面光滑且足夠長(zhǎng)）放在粗糙的水平地面上，底部與地面的動(dòng)摩擦因數(shù)為μ，斜面頂端與勁度系數(shù)為k、自然長(zhǎng)度為l的輕質(zhì)彈簧相連，彈簧的另一端連接著質(zhì)量為m的物塊．壓縮彈簧使其長(zhǎng)度為

3

4

l時(shí)將物塊由靜止開始釋放，且物塊在以后的運(yùn)動(dòng)中，斜面體始終處于靜止?fàn)顟B(tài)．重力加速度為g．
（1）求物塊處于平衡位置時(shí)彈簧的長(zhǎng)度；
（2）選物塊的平衡位置為坐標(biāo)原點(diǎn)，沿斜面向下為正方向建立坐標(biāo)軸，用x表示物塊相對(duì)于平衡位置的位移，證明物塊做簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)；
（3）求彈簧的最大伸長(zhǎng)量；
（4）為使斜面始終處于靜止?fàn)顟B(tài)，動(dòng)摩擦因數(shù)μ應(yīng)滿足什么條件（假設(shè)滑動(dòng)摩擦力等于最大靜摩擦力）？

Answer 1

分析：（1）物體平衡時(shí)，受重力、支持力和彈簧的彈力，三力平衡，根據(jù)平衡條件并結(jié)合正交分解法和胡克定律列式求解；
（2）簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)的回復(fù)力滿足F=-kx形式；
（3）簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)具有對(duì)稱性，先求解出振幅，然后確定最大伸長(zhǎng)量；
（4）當(dāng)滑塊處于任意位移x處時(shí)，能保持靜止即可，對(duì)斜面體受力分析后根據(jù)平衡條件列式求解，然后將最大位移打入即可．

解答：解：（1）物體平衡時(shí)，受重力、支持力和彈簧的彈力，根據(jù)平衡條件，有：
mgsinα=k?△x
解得：△x=

mgsinα

k

故彈簧的長(zhǎng)度為l+

mgsinα

k

；
（2）物體到達(dá)平衡位置下方x位置時(shí)，彈力為：k（x+△x）=k（x+

mgsinα

k

）；
故合力為：F=mgsinα-k（x+

mgsinα

k

）=-kx；
故物體做簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)；
（3）簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)具有對(duì)稱性，壓縮彈簧使其長(zhǎng)度為

3

4

l時(shí)將物塊由靜止開始釋放，故其振幅為：
A=

1

4

l+△x=

1

4

l+

mgsinα

k

；
故其最大伸長(zhǎng)量為：A+△x=(

1

4

l+

mgsinα

k

)+

mgsinα

k

=

l

4

+

2mgsinα

k

；
（4）設(shè)物塊位移x為正，斜面體受重力、支持力、壓力、滑動(dòng)摩擦力、靜摩擦力，如圖

根據(jù)平衡條件，有：
水平方向：f+F_N1sinα-Fcosα=0
豎直方向：F_N2-Mg-F_N1cosα-Fsinα=0
又有：F=k（x+△x），F(xiàn)_N1=mgcosα
聯(lián)立可得：f=kxcosα，F(xiàn)_N2=Mg+mg+kxsinα
為使斜面體保持靜止，結(jié)合牛頓第三定律，應(yīng)該有|f|≤μF_N2，所以
μ≥

|f|

FN2

=

k|x|cosα

Mg+mg+kxsinα

當(dāng)x=-A時(shí)，上式右端達(dá)到最大值，于是有：
μ≥

(kL+4mgsinα)cosα

4Mg+4mgcos2α-kLsinα

答：（1）物塊處于平衡位置時(shí)彈簧的長(zhǎng)度為l+

mgsinα

k

；
（2）證明如上；
 （3）彈簧的最大伸長(zhǎng)量為

l

4

+

2mgsinα

k

；
（4）為使斜面始終處于靜止?fàn)顟B(tài)，動(dòng)摩擦因數(shù)μ應(yīng)滿足的條件為：μ≥

(kl+4mgsinα)cosα

4Mg+4mgcos2α-klsinα

．

點(diǎn)評(píng)：本題關(guān)鍵是先對(duì)滑塊受力分析，然后根據(jù)牛頓第二定律列式分析；最后對(duì)斜面體受力分析，確定動(dòng)摩擦因素的最小值，難題．