Question

如圖所示（甲），一輛汽車車廂右端放一質(zhì)量為m的木箱（可視為質(zhì)點），汽車車廂底板總長L=9m，汽車車廂底板距離地面的高度H=5m，木箱與汽車車廂底板間的動摩擦因數(shù)µ=0.4，最大靜摩擦力等于滑動摩擦力，取g=10m/s²（計算結(jié)果保留三位有效數(shù)字）．

（1）若汽車從靜止開始啟動，為了保證啟動過程中木箱和汽車車廂底板間不發(fā)生相對滑動，求汽車的最大加速度a；
（2）若汽車由靜止開始以a=6m/s²的加速度勻加速行駛，求木箱落到地面上時距離車廂左端的水平距離（木箱離開車廂后豎直方向為自由落體）；
（3）若汽車從靜止開始一直以（2）中加速度加速運動，為了防止木箱從車廂左端滑出，在車廂左端處安裝一只長度可忽略的輕彈簧（如圖乙所示），此時彈簧處于壓縮狀態(tài)并被鎖定．每次當(dāng)木箱滑至左端與彈簧發(fā)生碰撞時，彈簧都將自動解鎖，并都以碰前瞬間木箱速率（相對于車）的2倍速率（相對于車）將木箱彈出，同時又將彈簧壓縮并重新鎖定．如此反復(fù)，通過多次碰撞最終使木箱靜止于車廂內(nèi)，試求木箱在車廂內(nèi)滑行的總路程．
（已知：當(dāng)0＜A＜1，n→+∞時，；）

Answer 1

【答案】分析：（1）木箱和汽車車廂底板間恰好不發(fā)生相對滑動時，靜摩擦力達到最大，由牛頓第二定律求解最大加速度a．
（2）汽車由靜止開始以a加速度勻加速行駛時，木箱相對于地向右做勻加速運動，當(dāng)兩者的位移之差L時，木箱離開汽車，由L=-求出時間，由v=at求出木箱離開汽車時的速度大小．木箱離開車廂后做平拋運動，由高度求出時間，再由運動學(xué)公式分別求出平拋運動過程中木箱的水平位移和汽車通過的位移，由位移關(guān)系求解木箱落到地面上時距離車廂左端的水平距離．
（3）當(dāng)木箱相對于車向左滑動時相對于車的加速度大小為a_相=a-a=2m/s²，設(shè)木箱滑到車廂的左端時相對車的速度為v₁，．彈簧將木箱彈出時，木箱相對于車向右滑動時，木箱相對于車廂的加速度大小為a_相′=a+a=10m/s²，木箱相對于車向右做勻減速運動，設(shè)向右滑行至距離左端L₁處停止，有（2v₁）²=2a_相′L₁．可得，L₁=0.8L．用同樣的方法得到木箱第n次與彈簧碰撞后向右滑行的距離為L_n．即可得到木箱在車廂內(nèi)滑行的總路程．
解答：解：（1）木箱和車廂恰好不發(fā)生相對滑動時，加速度最大，則由根據(jù)牛頓第二定律得
   μmg=ma
解得，a=μg=4m/s²．
（2）設(shè)木箱在車廂上滑動的時間為t，則有
  L=-
得 t==3s
木箱離開汽車時的速度大小為v=at=12m/s，汽車此時的速度為V=at=18m/s
木箱離開車廂后做平拋運動，則有
  H=
解得，t′=1s
所以s=（Vt′+）-vt′=9m
（3）當(dāng)木箱相對于車向左滑動時相對于車的加速度大小為a_相=a-a=2m/s²，
設(shè)木箱滑到車廂的左端時相對車的速度為v₁．
由  ①
彈簧將木箱彈出時，木箱相對于車向右滑動時，木箱相對于車廂的加速度大小為
 a_相′=a+a=10m/s²，木箱相對于車向右做勻減速運動，設(shè)向右滑行至距離左端L₁處停止，則有
   （2v₁）²=2a_相′L₁   ②
由①②得，L₁=0.8L
設(shè)第二次碰到彈簧前的速度大小為v₂，則有
   ③
設(shè)第二次向右滑行至距離左端L₂處停止，則有
=2a_相′L₂   ④
由③④得，L₂=0.8L₁=0.8²L
  …
根據(jù)遞推規(guī)律可知，設(shè)木箱第n次與彈簧碰撞后向右滑行的距離為L_n．
 
故木箱在車廂內(nèi)滑行的總路程為
 S=L+2×0.8L+2×0.8²L+…+2（0.8）ⁿL
其中n→∞
由題意知，S=L+2=9L=81m．
答：
（1）汽車的最大加速度a是4m/s²；
（2）木箱落到地面上時距離車廂左端的水平距離是9m．
（3）木箱在車廂內(nèi)滑行的總路程是81m．
點評：本題是有相對運動的問題，運用牛頓第二定律和運動學(xué)公式解決這類問題是基本方法．第3問根據(jù)相對加速度和相對速度，求解相對位移，尋找規(guī)律，得到總路程．