如图所示,一辆在水平地面上向右做直线运动的平板车,长度L=6m,质量M=10kg,其上表面水平光滑且距地面高为h=1.2

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  • 解题思路:(1)从t=0时起,平板车受到向左的电场力,向右做匀减速运动,由牛顿第二定律求得加速度的大小,由运动学速度位移关系公式求出向右运动的最大距离.(2)根据牛顿第二定律求出小车向右运动的加速度大小,根据运动学公式求出小车向右运动的位移和时间,判断小球是否会从小车的左端掉下,若未掉下,根据牛顿第二定律求出小车向左运动的加速度大小,小球从右端掉下,根据小球小车向左运动的位移求出向左运动的时间,两个时间之和即为小球从轻放到平板车开始至离开平板车所用的时间.(3)求出小车在小球做自由落体运动时间内的位移,结合小车向右运动的位移和向左运动的位移,求出小车的位移.再求出电场力做功,即可求得带电体Q的电势能的变化量.

    (1)以平板车为研究对象,根据受力分析和牛顿运动定律有:F=EQ=50N,方向向左.

    a1=

    F+μ(M+m)g

    M=7.2m/s2

    x1=

    v20

    2a1=3.6m

    (2)因x1<4m,故小球不会从车的左端掉下,小车向右运动的时间t1=

    v0

    a1=1s

    小车向左运动的加速度 a2=

    F−μ(M+m)g

    M=2.8m/s2

    小球掉下小车时,小车向左运动的距离 x2=x1+[L/3]=5.6m

    小车向左运动的时间t2=

    2x2

    a2=2s

    所以小球从轻放到平板车开始至离开平板车所用的时间 t=t1+t2=3s

    (3)小球刚离开平板车时,小车向左的速度的大小为:v2=a2t2=5.6m/s

    小球离开平板车后,车的加速度大小a3=[F−μMg/M]=3m/s2

    小球离开车子做自由落体的运动 h=[1/2]gt32t3=0.5s

    车子在t3时间内向左运动的距离 x3=v2t3+[1/2]a3t32=3.175m

    车子在从t=0时起到小球离开平板车落地时止,向左运动的位移为s

    s=x3+x2-x1=5.175m

    故在从t=0时起到小球离开平板车落地时止,带电体Q的电势能的变化量为△E,

    △E=-Fs=-258.75J

    答:(1)从t=0时起,平板车能继续向右运动的最大距离为3.6m.

    (2)小球从t=0时起到离开平板车时所经历的时间为3s.

    (3)从t=0时起到小球离开平板车落地时止,带电体Q的电势能的变化量为-258.75J.

    点评:

    本题考点: 匀强电场中电势差和电场强度的关系;自由落体运动;牛顿第二定律.

    考点点评: 本题是一个多过程问题,关键是理清小车在整个过程中的运动情况,结合牛顿第二定律和运动学公式进行求解.