分析斜面与平面结合模型得出的一个有趣结论

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  高中物理中“斜面与平面结合”是力学和运动学中常见的模型,往往会涉及到一些简单实用的结论,如常见的功的等效关系 ( 表示物体在水平方向的位移),这个结论给出物体沿斜面下滑到水平面运动,最终停止运动过程中摩擦力功的等效结果.笔者对此过程做了进一步研究,发现物体沿水平面滑行直至停止在水平面上,物体运动停止时的位置存在规律性,得出了一个新的且具备一定普遍性的结论.
  如图1所示,质量为m的物体静止在斜面上,A点到水平面的高度为h,与斜面的动摩擦因数为μ1,物体与水平面的动摩擦因素为μ2,斜面与水平面形成的角为α.将物体无初速度从A点释放(物体在B处无能量损失),物体下滑到水平面上并最终静止在水平面上.
  物体下滑直到停止的过程中,由物体重力做功获得的动能被斜面和平面上滑动摩擦力的功所损耗,由功能关系可以得到
  WG=Wf总(1)
  展开得 mgh=f1xAB f2xBC=μ1mgcosαhsinα μ2mgxBC(2)
  解得xBC=h(1-μ1cosαsinα)μ2(3)
  分析(3)式可以得出,物体停止在水平面上的位置只与水平面的高度h,斜面和水平面的动摩擦因数μ1、μ2以及斜面的倾角α的正切值有关,与物体的质量无关.此结果表明,从同一高度处下滑的不同质量的物体,最终停止在同一位置处,如图2所示.
  连接AC两点,设AC连线与水平方向的夹角为β,则
  tanβ=xADxDC(4)
  由xAD=h,
  xDC=xDB xBC=htanα h(1-μ1cosαsinα)μ2(5)
  将(5)式带入(4)式得
  tanβ=hhtanα h(1-μ1cosαsinα)μ2=μ2tanα(μ2-μ1) tanα(6)
  分析(6)式可以得出,起点与终点的连线与水平方向的夹角的正切值tanβ的大小只与物体与斜面和水平面的动摩擦因数μ1,μ2以及斜面的倾角α的正切值有关,与物体距水平面的高度h无关.
  如图3所示,物体由A点开始下滑,改变水平面的高度,随着斜面距离增大,由于重力做功总是比滑动摩擦力做功多,物体到达水平面时获得的动能大,在水平面上滑行的距离也会越大,而由(6)式物体停止的位置一定在AC的连线上,即物体最终停止的位置都在斜率为tanβ的直线处.
  推出(6)式的结论并没有对动摩擦因数提出限制条件,所以μ1和μ2的取值可以任意改变,结论具备普遍性.
  若μ2=0,即水平面光滑,无论斜面光滑与否,物体到达水平面上后会一直保持匀速运动状态,不满足本结论物体在水平面上停止的前提条件,不是(6)式结论所包含的范围.
  若μ1=0,μ2≠0,即斜面光滑,水平面粗糙,
  tanβ=μ2tanαμ2 tanα(7)
  由于斜面光滑,物体到达水平面时获得的动能大,物体沿水平面滑动距离最远,这时AC直线夹角β取得最小值,符合物体运动的实际情况.
  若μ1=μ2=μ≠0,即斜面与水平面动摩擦因数相等
  tanβ=μ(8)
  如图4所示,斜面和水平面的摩擦系数可以直接用tanβ表示,而与tanα无关,即与斜面的倾角α无关(斜面与水平面联接处需要做无折处理),这个结果正是功的等效关系Wf=μmgL的另一种表现方式.
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