题目
F-|||-θ如图,重力为G的木块,恰好能沿倾角为θ的斜面匀速下滑,那么要将木块沿斜面匀速向上推,必须加多大的水平推力F?

题目解答
答案
解:物体匀速下滑,根据共点力平衡可知:Gsinθ=μGcosθ,
解得:μ=tanθ
物体沿斜面匀速上升时,受力如图,根据平衡条件有:
Fcosθ=Gsinθ+f,
FN=Fsinθ+Gcosθ,
f=μFN
联立解得:F=$\frac{G(μcosθ+sinθ)}{cosθ-μsinθ}$
答:必须加$\frac{G(μcosθ+sinθ)}{cosθ-μsinθ}$的水平推力。
解得:μ=tanθ
物体沿斜面匀速上升时,受力如图,根据平衡条件有:

FN=Fsinθ+Gcosθ,
f=μFN
联立解得:F=$\frac{G(μcosθ+sinθ)}{cosθ-μsinθ}$
答:必须加$\frac{G(μcosθ+sinθ)}{cosθ-μsinθ}$的水平推力。
解析
步骤 1:分析木块匀速下滑时的受力情况
木块匀速下滑时,受到重力G、支持力N和摩擦力f的作用。根据共点力平衡条件,有:
Gsinθ = f
N = Gcosθ
其中,摩擦力f = μN,μ为动摩擦因数。因此,可以得到:
Gsinθ = μGcosθ
解得:μ = tanθ
步骤 2:分析木块匀速上滑时的受力情况
木块匀速上滑时,受到重力G、支持力N、摩擦力f和水平推力F的作用。根据共点力平衡条件,有:
Fcosθ = Gsinθ + f
N = Fsinθ + Gcosθ
其中,摩擦力f = μN。将μ = tanθ代入,得到:
Fcosθ = Gsinθ + μ(Fsinθ + Gcosθ)
Fcosθ = Gsinθ + tanθ(Fsinθ + Gcosθ)
Fcosθ = Gsinθ + (Fsinθ + Gcosθ)tanθ
Fcosθ = Gsinθ + Fsinθtanθ + Gcosθtanθ
Fcosθ - Fsinθtanθ = Gsinθ + Gcosθtanθ
F(cosθ - sinθtanθ) = G(sinθ + cosθtanθ)
F = $\frac{G(sinθ + cosθtanθ)}{cosθ - sinθtanθ}$
步骤 3:化简表达式
将tanθ = sinθ/cosθ代入,得到:
F = $\frac{G(sinθ + cosθ\frac{sinθ}{cosθ})}{cosθ - sinθ\frac{sinθ}{cosθ}}$
F = $\frac{G(sinθ + sinθ)}{cosθ - \frac{sin^2θ}{cosθ}}$
F = $\frac{G(2sinθ)}{\frac{cos^2θ - sin^2θ}{cosθ}}$
F = $\frac{G(2sinθ)cosθ}{cos^2θ - sin^2θ}$
F = $\frac{G(2sinθcosθ)}{cos^2θ - sin^2θ}$
F = $\frac{Gsin2θ}{cos2θ}$
F = Gtan2θ
木块匀速下滑时,受到重力G、支持力N和摩擦力f的作用。根据共点力平衡条件,有:
Gsinθ = f
N = Gcosθ
其中,摩擦力f = μN,μ为动摩擦因数。因此,可以得到:
Gsinθ = μGcosθ
解得:μ = tanθ
步骤 2:分析木块匀速上滑时的受力情况
木块匀速上滑时,受到重力G、支持力N、摩擦力f和水平推力F的作用。根据共点力平衡条件,有:
Fcosθ = Gsinθ + f
N = Fsinθ + Gcosθ
其中,摩擦力f = μN。将μ = tanθ代入,得到:
Fcosθ = Gsinθ + μ(Fsinθ + Gcosθ)
Fcosθ = Gsinθ + tanθ(Fsinθ + Gcosθ)
Fcosθ = Gsinθ + (Fsinθ + Gcosθ)tanθ
Fcosθ = Gsinθ + Fsinθtanθ + Gcosθtanθ
Fcosθ - Fsinθtanθ = Gsinθ + Gcosθtanθ
F(cosθ - sinθtanθ) = G(sinθ + cosθtanθ)
F = $\frac{G(sinθ + cosθtanθ)}{cosθ - sinθtanθ}$
步骤 3:化简表达式
将tanθ = sinθ/cosθ代入,得到:
F = $\frac{G(sinθ + cosθ\frac{sinθ}{cosθ})}{cosθ - sinθ\frac{sinθ}{cosθ}}$
F = $\frac{G(sinθ + sinθ)}{cosθ - \frac{sin^2θ}{cosθ}}$
F = $\frac{G(2sinθ)}{\frac{cos^2θ - sin^2θ}{cosθ}}$
F = $\frac{G(2sinθ)cosθ}{cos^2θ - sin^2θ}$
F = $\frac{G(2sinθcosθ)}{cos^2θ - sin^2θ}$
F = $\frac{Gsin2θ}{cos2θ}$
F = Gtan2θ