Question

如图所示，在倾角θ=37°的足够长的固定斜面上，有一质量m=1kg的物体，物体与斜面间动摩擦因数μ=0.2．物体受到沿平行于斜面向上的轻细线的拉力F=9.6N的作用，从静止开始运动，经2s绳子突然断了．求绳断后多长时间物体速度大小为22m/s．（结果保留两位有效数字，已知sin37°=0.6，g取10m/s²）

Answer 1

分析：物体先向上做匀加速直线运动，绳子断后，向上做匀减速直线运动到零，然后返回做匀加速直线运动，三个阶段的加速度不同，根据牛顿第二定律求出三个阶段的加速度，然后根据匀变速直线运动的公式分阶段求解．

解答：解：第一阶段：在最初2 s内，物体在F=9.6N的拉力作用下，从静止开始沿斜面做匀加速运动，受力如图所示，有：沿斜面方向F-mgsinθ-F_f=ma₁  
沿垂直斜面方向F_N=mgcosθ   
且F_f=μF_N    
由①②③得：a₁=

F-mgsinθ-μmgcosθ

m

=2m/s²
2 s末绳断时瞬时速度v₁=a₁t₁=4 m/s  
第二阶段：从撤去F到物体继续沿斜面向上运动到达速度为零的过程，设加速度为a₂，则：
a₂=

-(mgsinθ+μmgcosθ)

m

=-7.6 m/s²  
设从断绳到物体达最高点所需时间为t₂，据运动学公式v₂=v₁+a₂t₂，得t₂═0.53 s  
第三阶段：物体从最高点沿斜面下滑，在第三阶段物体加速度为a₃，所需时间为t₃．由牛顿定律知：
a₃=

mgsinθ-μmgcosθ

m

=4.4 m/s²  
速度达v₃=22 m/s，所需时间t₃=

v3-0

a3

=5s   
综上所述，从绳断到速度为22m/s所经历的总时间t=t₂+t₃=0.53s+5s≈5.5s．

点评：解决本题的关键理清物体的运动的情况，知道在各个阶段物体做什么运动．以及知道加速度是联系力学和运动学的桥梁．