拖把是由拖杆和拖把头构成的擦地工具（如图）．设拖把头的质量为m，拖杆质量可以忽略；拖把头与地板之间的动摩擦因数为常数μ，重力加速度为g，某同学用该拖把在水平地板上拖地时，

Question

拖把是由拖杆和拖把头构成的擦地工具（如图）．设拖把头的质量为m，拖杆质量可以忽略；拖把头与地板之间的动摩擦因数为常数μ，重力加速度为g，某同学用该拖把在水平地板上拖地时，沿拖杆方向推拖把，拖杆与竖直方向的夹角为θ．
（1）若拖把头在地板上匀速移动，求推拖把的力F₁的大小．
（2）若拖把头在地板上以加速度a做匀加速运动，求推拖把的力F₂的大小．
（3）设能使该拖把在地板上从静止刚好开始运动的水平推力与此时地板对拖把的正压力的比值为λ．已知存在一临界角θ₀，若θ≤θ₀，则不管沿拖杆方向的推力多大，都不可能使拖把从静止开始运动．求这一临界角的正切tanθ₀．

Answer 1

（1）设该同学沿拖杆方向用大小为F₁的力推拖把．
将推拖把的力沿竖直和水平方向分解，按平衡条件有：
F₁cosθ+mg=N₁      
F₁sinθ=f₁
式中N₁和f₁分别为地板对拖把的正压力和摩擦力．按摩擦定律有：
f₁=μN₁
联立以上式子得：
F1＝(μmg)/(sinθ−μcosθ)… ①
（2）设该同学沿拖杆方向用大小为F₂的力推拖把．
将推拖把的力沿竖直和水平方向分解，按平衡条件有：
F₂cosθ+mg=N₂…②
F₂sinθ-f₂=ma…③
式中N₂和f₂分别为地板对拖把的正压力和摩擦力．
按摩擦定律有：
f₂=μN₂…④
联立以上式子得：
 F2＝(ma+μmg)/(sinθ−μcosθ)            
（3）若不管沿拖杆方向用多大的力都不能使拖把从静止开始运动，应有：
Fsinθ≤λN…⑤
这时①式仍满足．
联立①⑤式得：
sinθ−λcosθ≤λ(mg)/(F)
现考察使上式成立的θ角的取值范围．
注意到上式右边总是大于零，且当F无限大时极限为零，有：
sinθ-λcosθ≤0
使上式成立的θ角满足θ≤θ₀，这里θ₀是题中所定义的临界角，即当θ≤θ₀时，不管沿拖杆方向用多大的力都推不动拖把．
临界角的正切为tanθ₀=λ；
答：（1）若拖把头在地板上匀速移动，推拖把的力F₁的大小为(μmg)/(sinθ−μcosθ)．
（2）若拖把头在地板上以加速度a做匀加速运动，推拖把的力F₂的大小为(ma+μmg)/(sinθ−μcosθ)．
（3）临界角的正切tanθ₀为λ．