Question

某电视台在游乐园举行家庭搬运砖块比赛活动，比赛规则是向沿水平面做直线运动的小车上搬放砖块，每次只能将一块砖无初速（相对于地面）地放到车上，车停止时立即停止搬运，以车上砖块多少决定胜负．已知小车的上表面光滑且足够长，且小车与地面的动摩擦因数不变，比赛过程中车始终受到水平恒定的牵引力F=20N的作用，未放砖块时车以v=3.0m/s匀速前进．某家庭上场比赛时每隔T=0.8s搬放一块砖；已知每块砖的质量m=0.8kg，从放上第一块砖开始计时，图2中仅画出了0～0.8s内车运动的v-t图象，整个过程中砖始终在车上未滑下，取g=10m/s²，求：
（1）小车的质量及车与地面的动摩擦因数；
（2）当小车停止时，车上有多少块砖？

Answer

（1）据题，小车的上表面光滑，砖块放到小车上后水平不受外力，相对地面始终保持静止状态．小车原来匀速前进，放上砖块后小车开始做匀减速运动，根据牛顿第二定律得出小车的加速度与动摩擦因数的关系，由v-t图象斜率大小求出加速度，联立求解小车的质量及车与地面的动摩擦因数．
（2）根据牛顿第二定律分别求出放上第二块砖、第三块砖、…小车的加速度，由速度公式求出每一个0.8s内小车速度的改变量，总结规律，得出放上第n块砖后0.8s内小车的速度改变量，得出小车速度减至零时改变量的表达式，求出当小车停止时，车上有多少块砖．
【解析】
（1）小车的上表面光滑，砖块相对地面始终保持静止状态，放上砖块后小车开始做匀减速运动，设小车与地面间的动摩擦因数为μ，则μMg=F
放上第一块砖后，对小车
   F-μ（m+M）g=Ma1
即-μmg=Ma1
由v-t图象可知，△v1=v1-v=2.8-3.0（m/s）=-0.2m/s，放第一块砖后小车的加速度为
解得，μ=0.25，M=8kg
（2）同理，放第二块砖后，对小车有
-2μmg=Ma2，
0.8s内速度改变：△v2=a2T=-0.4m/s
放第三块砖后小车的加速度为a3=-3×0.25m/s2=-0.75m/s2
0.8s内速度改变：△v3=-3×0.2m/s=-0.6m/s
则放第n块砖后小车的加速度：（n=1，2，3…）
0.8s内速度改变：△vn=-n×0.2m/s（n=1，2，3…）
所以△v=△v1+△v2+△v3+…+△vn=-（1+2+3…+n）×0.2m/s
而△v=0-3m/s=-3m/s
联立解得，n=5
即当小车停止时，车上有5块砖．
答：
（1）小车的质量为8kg，车与地面的动摩擦因数为0.25；
（2）当小车停止时，车上有5块砖．