题目
如图所示,质量为m_2的斜面可在光滑的水平面上滑动,斜面倾角为alpha ,质量为m_1的运动员与斜面之间亦无摩擦,求运动员相对于斜面的加速度及其对斜面的压力。m1-|||-m
如图所示,质量为$$m_2$$的斜面可在光滑的水平面上滑动,斜面倾角为$$\alpha $$,质量为$$m_1$$的运动员与斜面之间亦无摩擦,求运动员相对于斜面的加速度及其对斜面的压力。
题目解答
答案
以地面为参考系,设人相对于斜面的加速度为
根据加速度的矢量合成,可知人相对于地的加速度:在$$x'$$方向$$a_{x'}=a-a'\mbox{cos}\alpha$$;在$$y'$$方向$$a_{y'}=a'\mbox{sin}\alpha$$
则对人,由牛顿第二定律可得
在$$y'$$方向:$$m_1\mbox{g}\mbox{cos}\alpha-N_1=m_1a_{y'}=m_1a'\mbox{sin}\alpha$$①
在$$x'$$方向:$$m_1\mbox{sin}\alpha=m_1a_{x'}=m_1(a-a'\mbox{cos}\alpha)$$②
再对斜面,由牛顿第二定律可得
在$$x$$方向:$$N_1\mbox{sin}\alpha=m_2a'$$③
联立①②③,解得$$N_1=\frac{m_1m_2\mbox{cos}\alpha}{m_2+m_1\mbox{sin}^2\alpha}\mbox{g}$$,
$$a=\frac{(m_1+m_2)\mbox{sin}\alpha}{m_2+m_1\mbox{sin}^2\alpha}\mbox{g}$$
解析
步骤 1:确定参考系和加速度
以地面为参考系,设人相对于斜面的加速度为$$a'$$,斜面相对于地面的加速度为$$a$$。根据加速度的矢量合成,人相对于地的加速度在$$x'$$方向为$$a_{x'}=a-a'\mbox{cos}\alpha$$,在$$y'$$方向为$$a_{y'}=a'\mbox{sin}\alpha$$。
步骤 2:对人应用牛顿第二定律
在$$y'$$方向:$$m_1\mbox{g}\mbox{cos}\alpha-N_1=m_1a_{y'}=m_1a'\mbox{sin}\alpha$$,即$$m_1\mbox{g}\mbox{cos}\alpha-N_1=m_1a'\mbox{sin}\alpha$$①
在$$x'$$方向:$$m_1\mbox{sin}\alpha=m_1a_{x'}=m_1(a-a'\mbox{cos}\alpha)$$,即$$m_1\mbox{sin}\alpha=m_1(a-a'\mbox{cos}\alpha)$$②
步骤 3:对斜面应用牛顿第二定律
在$$x$$方向:$$N_1\mbox{sin}\alpha=m_2a'$$,即$$N_1\mbox{sin}\alpha=m_2a'$$③
步骤 4:联立求解
联立①②③,解得$$N_1=\frac{m_1m_2\mbox{cos}\alpha}{m_2+m_1\mbox{sin}^2\alpha}\mbox{g}$$,$$a=\frac{(m_1+m_2)\mbox{sin}\alpha}{m_2+m_1\mbox{sin}^2\alpha}\mbox{g}$$。
以地面为参考系,设人相对于斜面的加速度为$$a'$$,斜面相对于地面的加速度为$$a$$。根据加速度的矢量合成,人相对于地的加速度在$$x'$$方向为$$a_{x'}=a-a'\mbox{cos}\alpha$$,在$$y'$$方向为$$a_{y'}=a'\mbox{sin}\alpha$$。
步骤 2:对人应用牛顿第二定律
在$$y'$$方向:$$m_1\mbox{g}\mbox{cos}\alpha-N_1=m_1a_{y'}=m_1a'\mbox{sin}\alpha$$,即$$m_1\mbox{g}\mbox{cos}\alpha-N_1=m_1a'\mbox{sin}\alpha$$①
在$$x'$$方向:$$m_1\mbox{sin}\alpha=m_1a_{x'}=m_1(a-a'\mbox{cos}\alpha)$$,即$$m_1\mbox{sin}\alpha=m_1(a-a'\mbox{cos}\alpha)$$②
步骤 3:对斜面应用牛顿第二定律
在$$x$$方向:$$N_1\mbox{sin}\alpha=m_2a'$$,即$$N_1\mbox{sin}\alpha=m_2a'$$③
步骤 4:联立求解
联立①②③,解得$$N_1=\frac{m_1m_2\mbox{cos}\alpha}{m_2+m_1\mbox{sin}^2\alpha}\mbox{g}$$,$$a=\frac{(m_1+m_2)\mbox{sin}\alpha}{m_2+m_1\mbox{sin}^2\alpha}\mbox{g}$$。