小车滑块模型中滑行距离的四种求解方法

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  如图1所示,一辆质量为M的小车在光滑水平面上以速度v做直线运动,在车的前端轻轻地放上一质量为m的物体,物体放在小车上时相对于地面的速度为零,一段时间之后,物体与小车保持相对静止.设物体与车之间的动摩擦因数为μ,求:物体在小车上滑行的距离L.
  这是高中物理动力学部分很常见的一个习题,习惯上称之为小车滑块模型.我们可以有多种方法求解这个问题.
  解法一根据牛顿第二定律和运动学公式联立求解.
  作出运动示意图(图2).设经过时间t物块和小车速度相等,且共同速度为v′,根据速度公式列方程
  v′=v-μmgMt,
  v′=μgt,
  联立求解v′=MvM m.
  或者根据车和物体组成的系统动量守恒,由Mv=(M m)v′, 求得v′.不管用哪种方法,必须先求出共同速度,再求滑行距离L.
  对小车列方程a1=μmg/M ,
  2a1x1=v2- v′2,
  对物块列方程a2=μg,
  2a2x2=v′2,
  对地位移之差即为所求L=x1-x2,
  联立求解,得L=Mv22μ(M m)g.
  解法二根据v-t图象求解.
  作出物体和小车的v-t图象,如图3所示.t为物块在小车上滑行至与小车共速的时间,v′为共同速度,三角形OAv面积即为所求.
  对物块列方程v′=μgt ,得t= v′/μg,
  滑行距离L=12vt=Mv22μ(M m)g,
  这种方法简单直观 ,但很多同学不习惯使用v-t图象求解.
  解法三运用动能定理求解.
  对小车列动能定理方程
  μmgx1=12Mv2-12Mv′2,
  对物块列动能定理方程
  μmgx2=12mv′2-0,
  物体在车上滑行的距离L=x1-x2,
  联立求解,得L=Mv22μ(M m)g.
  解法四根据相对运动求解.
  以小车作为参考系(非惯性参考系),则物块相对于小车的初速度大小为v,但速度方向为水平向左 ,物体与小车共速时,相对小车的速度为零.物体相对小车的加速度a′=μg μmg/M.即物体相对小车向左做匀减速运动.列方程v2=2a′L,易得L=Mv22μ(M m)g.
  以上四种解题方法,对知识的运用各有侧重.充分理解各种方法,必能达到对相关知识的融会贯通.
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