如图所示,两物块A、B套在水平粗糙的CD杆上,并用不可伸长的轻绳连接,整个装置能绕过CD中点的轴OO1转动,已知两物块质量相等,杆CD对物块A、B的最大静摩擦力大小相等,开始时绳子处于自然长度(绳子恰好伸直但无弹力),物块B到OO1轴的距离为物块A到OO1轴的距离的两倍,现让该装置从静止开始转动,使转速逐渐增大,在从绳子处于自然长度到两物块A、B即将滑动的过程中,下列说法正确的是
A.A受到的静摩擦力一直增大
B.B受到的静摩擦力先增大,后保持不变
C.A受到的静摩擦力是先增大后减小
D.A受到的合外力一直在增大
请把每个选项都详细解释,我非常不会做这种题……
首先确认如下公式:
向心力F=m ω^2 R.
ω是角速度,m是质量,R是半径。在这里质量和角速度都是相同的。
显然因为B的半径大,向心力的增速B是A的2倍。
在第一阶段,A.B依靠静摩擦力产生向心力。随着角速度增加,静摩擦都在慢慢增加。当A的静摩擦达到最大静摩擦的一半的时候,B已经达到最大静摩擦,准备开始滑动。
第二阶段绳子就要拉紧了,绳子开始产生拉力以保持B的静止,一根绳子的拉力是等大的,于是AB受到的拉力相同。
我们假设绳子给B的拉力是最大静摩擦的n倍,记作nf。设A的距离为R,B的为2R。则对B有(n+1)f=mω^2×2R
则可以算出A应有的向心力是(n+1)f/2。减去nf的拉力,A的静摩擦是(1-n)f/2
可见随着n的增大A受到指向圆心的摩擦力会逐渐减小。
当指向圆心的静摩擦减小到0的时候,进入第三阶段。
第三阶段时A的静摩擦将指向C,以抵消部分拉力来维持向心力,可见随着拉力的不断增大,静摩擦会越来越大,最终A和B会一起向D运动。
这样综上答案选BD。
你要明白:A和B运动的向心力在逐渐增大的过程中首先是由摩擦力来提供的,当摩擦力不足以维持时,绳子上开始绷紧并弥补摩擦力的不足。
在滑动之前,F向=Mw^2R。所以A所需向心力一直是B的二分之一,都指向转轴O。
那么当向心力在逐渐增加的过程中,(因为B所需的向心力大)B将首先达到最大静摩擦力f,此时A受静摩擦力f/2,且绳子上没有张力。
当转速继续增加,绳子绷紧,设绳上弹力为T,此后一段过程T将逐渐增大,然而B所受摩擦力一直为f,再设A下面摩擦力为fA。有2(fA+T)=f+T.可得到fA=(f-T)/2,由此可知当T增加时,fA减小,直到减小到0之后在反向增加,一直增加到f。此后如果转速再增加,则平衡无法维持。
综上可知,A受的摩擦先增加到f/2,后减小至0,反向增加到f.
B受的摩擦先增加到f,后保持不变。
应该是B、D正确,物品圆周运动时需要向心力,在这种系统里角速度相同的,线速度不同,可用公式F向=mrω计算,m、ω都相同, r越大F越大。由此可以知道最后滑动方向肯定是向B滑动的。
一开始转动时,绳没有受力,说明由静摩擦力提供向心力,此时A、B受到的静摩擦力都是指向圆心的。
随着转速增大,A、B的需要的向心力越来越大,由于前面提到B需要的向心力比A要大,当B需要的向心力比B的最大静摩擦力大时,向心力还需要由绳子的拉力提供,也就是说B通过绳子对A产生了拉力,此时开始到滑动前B受到的摩擦力就一直为最大静摩擦力。
A受到的摩擦力开始是指向圆心的,后来由于抵抗B通过绳子作用的变大的拉力,就会变成反向圆心的了。是一个变大减小再反向增大的过程。
因为转速越来越大,所以需要的向心力也越来越大,向心力是由合力提供,所以合力也增大。