解题思路:(1)分别对滑块和平板车进行受力分析,根据牛顿第二定律求出各自加速度,物块在小车上停止相对滑动时,速度相同,即可以求出时间,从而求出小车的最小长度;
(2)先求出物块3s末的速度,对木块运用动能定理即可求解摩擦力做功,求出小车3s内的位移,根据恒力做功公式即可求解.
(1)根据牛顿第二定律得,物块的加速度a1=
μmg
m=μg=2m/s2,
小车的加速度a2=
F−μmg
M=
8−0.2×20
8m/s2=0.5m/s2.
设经过t时间小物块与小车的速度相同,有:a1t=v0+a2t
解得t=
v0
a1−a2=
3
2−0.5s=2s.
此时物块的位移x1=
1
2a1t2=
1
2×2×4m=4m
小车的位移x2=v0t+
1
2a2t2=3×2+
1
2×0.5×4m=7m.
小车至少的长度L=x2-x1=7-4m=3m.
(2)2s末两物体的速度相同,大小v=a1t=4m/s,然后物块和小车一起做匀加速直线运动.
根据牛顿第二定律得,a=
F
M+m=
8
10m/s2=0.8m/s2.
3末物块的速度v′=v+at′=4+0.8×1m/s=4.8m/s.
根据动能定理得,Wf=
1
2mv2−0=
1
2×2×4.82J=23.04J.
小车在前2s内的位移为7m,后1s内的位移x3=vt′+
1
2at′2=4×1+
1
2×0.8×1m=4.4m.
则小车在前3s内的位移x=7+4.4m=11.4m.
所以恒力F所做的功WF=Fx=8×11.4J=91.2J.
答:(1)小车至少长度为3m;
(2)摩擦力对小物块做的功为23.04J.拉力F对小车所做的功为91.2J.
点评:
本题考点: 动能定理的应用;匀变速直线运动的位移与时间的关系;牛顿第二定律.
考点点评: 该题是相对运动的典型例题,要认真分析两个物体的受力情况,正确判断两物体的运动情况,再根据运动学基本公式求解,难度适中.