Question

如圖所示（甲），一輛汽車車廂右端放一質量為m的木箱（可視為質點），汽車車廂底板總長L=9m，汽車車廂底板距離地面的高度H=5m，木箱與汽車車廂底板間的動摩擦因數?=0.4，最大靜摩擦力等于滑動摩擦力，取g=10m/s²（計算結果保留三位有效數字）．



（1）若汽車從靜止開始啟動，為了保證啟動過程中木箱和汽車車廂底板間不發生相對滑動，求汽車的最大加速度a；
（2）若汽車由靜止開始以a₀=6m/s²的加速度勻加速行駛，求木箱落到地面上時距離車廂左端的水平距離（木箱離開車廂后豎直方向為自由落體）；
（3）若汽車從靜止開始一直以（2）中加速度加速運動，為了防止木箱從車廂左端滑出，在車廂左端處安裝一只長度可忽略的輕彈簧（如圖乙所示），此時彈簧處于壓縮狀態并被鎖定．每次當木箱滑至左端與彈簧發生碰撞時，彈簧都將自動解鎖，并都以碰前瞬間木箱速率（相對于車）的2倍速率（相對于車）將木箱彈出，同時又將彈簧壓縮并重新鎖定．如此反復，通過多次碰撞最終使木箱靜止于車廂內，試求木箱在車廂內滑行的總路程．
（已知：當0＜A＜1，n→+∞時，A+A2+A3+K+An=

A

1-A

；）

Answer 1

（1）木箱和車廂恰好不發生相對滑動時，加速度最大，則由根據牛頓第二定律得
   μmg=ma
解得，a=μg=4m/s²．
（2）設木箱在車廂上滑動的時間為t，則有
  L=

1

2

a0t2-

1

2

at2
得 t=

2L a0-a

=3s
木箱離開汽車時的速度大小為v=at=12m/s，汽車此時的速度為V=a₀t=18m/s
木箱離開車廂后做平拋運動，則有
  H=

1

2

gt′2
解得，t′=1s
所以s=（Vt′+

1

2

a0t′2）-vt′=9m
（3）當木箱相對于車向左滑動時相對于車的加速度大小為a_相=a₀-a₀=2m/s²，
設木箱滑到車廂的左端時相對車的速度為v₁．
由

v

21

=2a相L  ①
彈簧將木箱彈出時，木箱相對于車向右滑動時，木箱相對于車廂的加速度大小為
 a_相′=a+a₀=10m/s²，木箱相對于車向右做勻減速運動，設向右滑行至距離左端L₁處停止，則有
   （2v₁）²=2a_相′L₁   ②
由①②得，L₁=0.8L
設第二次碰到彈簧前的速度大小為v₂，則有
 

v

22

=2a相L1  ③
設第二次向右滑行至距離左端L₂處停止，則有
(2v2)2=2a_相′L₂   ④
由③④得，L₂=0.8L₁=0.8²L
  …
根據遞推規律可知，設木箱第n次與彈簧碰撞后向右滑行的距離為L_n．
 Ln=(0.8)nL
故木箱在車廂內滑行的總路程為
 S=L+2×0.8L+2×0.8²L+…+2（0.8）ⁿL
其中n→∞
由題意知，S=L+2

0.8

1-0.8

L=9L=81m．
答：
（1）汽車的最大加速度a是4m/s²；
（2）木箱落到地面上時距離車廂左端的水平距離是9m．
（3）木箱在車廂內滑行的總路程是81m．