Question

如图所示，在水平地面上放置一块质量为M的长平板B，在平板的上方某一高度处有一质量为m的物块P由静止开始落下．在平板上方附近存在“相互作用”的区域（如图中虚线所示区域），当物块P进入该区域内，B便会对P产生一个竖直向上的恒力f作用，使得P恰好不与B的上表面接触，且f=kmg，其中k=11．在水平方向上P、B之间没有相互作用力．已知平板与地面间的动摩擦因数μ=2.0×10^-3，平板和物块的质量之比M/m=10．在P开始下落时，平板B向右运动的速度v₀=1.0m/s，P从开始下落到进入相互作用区域经历的时间t₀=2.0s．设平板B足够长，保证物块P总能落到B板上方的相互作用区域内，忽略物块P受到的空气阻力，取重力加速度g=10m/s²．求：
（1）物块P从开始下落到再次回到初始位置所经历的时间．
（2）从物块P开始下落到平板B的运动速度减小为零的这段时间内，P能回到初始位置的次数．

Answer 1

（1）物块P进入相互作用区域时的速度为V₁，则
v₁=gt₀=20m/s                                
物块P从进入相互作用区域到速度减小为零的过程中，受到重力和平板的相互作用，设物块在相互作用区域内的下落的加速度为a，根据牛顿第二定律：
kmg-mg=ma
设在相互作用区域内的下落时间为t，根据运动学公式
t=

v1

a

而物块从开始下落到回到初始位置的时间
T=2（t+t₀）=

2k

k-1

t0=4.4s．
（2）设在一个运动的周期T内，平板B的速度减小量为△v，根据动量定理有
μMg?2t₀+μ（Mg+f）?2t=M△v
解得      △v=

2μgkt0(1+ m M )

k-1

=9.7×10^-3m/s．                       
P回到初始位置的次数 n=

v0

△v

=10.3，
n应取整数，即n=10．                                            
答：（1）物块P从开始下落到再次回到初始位置所经历的时间为4.4s．
（2）从物块P开始下落到平板B的运动速度减小为零的这段时间内，P能回到初始位置的次数为10．