Question

如圖甲所示為車站使用的水平傳送裝置的示意圖．繃緊的傳送帶長(zhǎng)度L=2.0m，以v=3.0m/s的恒定速率運(yùn)行，傳送帶的水平部分AB距離水平地面的高度h=0.45m．現(xiàn)有一行李箱（可視為質(zhì)點(diǎn)）質(zhì)量m=10kg，以v₀=1.0m/s的水平初速度從A端滑上傳送帶，被傳送到B端時(shí)沒有被及時(shí)取下，行李箱從B端水平拋出，行李箱與傳送帶間的動(dòng)摩擦因數(shù)μ=0.20，不計(jì)空氣阻力，重力加速度g取l0m/s²．

（1）求行李箱從傳送帶上A端運(yùn)動(dòng)到B端過程中摩擦力對(duì)行李箱沖量的大小；
（2）傳送帶與輪子間無相對(duì)滑動(dòng)，不計(jì)輪軸處的摩擦，求為運(yùn)送該行李箱電動(dòng)機(jī)多消耗的電能；
（3）若傳送帶的速度v可在0～5.0m/s之間調(diào)節(jié)，仍以v₀的水平初速度從A端滑上傳送帶，且行李箱滑到B端均能水平拋出．請(qǐng)你在圖乙中作出行李箱從B端水平拋出到落地點(diǎn)的水平距離x與傳送帶速度v的關(guān)系圖象．（要求寫出作圖數(shù)據(jù)的分析過程）

Answer 1

分析：（1）滑動(dòng)摩擦力根據(jù)公式F=μmg即可求解，由牛頓第二定律可求得加速度，由運(yùn)動(dòng)學(xué)公式可判斷行李箱在B點(diǎn)剛好加速到傳送帶的速度．
根據(jù)動(dòng)量定理可求出摩擦力對(duì)行李箱的沖量大小．
（2）運(yùn)送行李箱過程中，由于行李箱與傳送帶之間的相對(duì)位移摩擦產(chǎn)生內(nèi)能，行李箱本身動(dòng)能增加，利用能量轉(zhuǎn)換合守恒可求的電動(dòng)機(jī)多消耗的電能．
（3）結(jié)合牛頓第二定律和運(yùn)動(dòng)學(xué)公式求出平拋的初速度，從而得出水平位移和傳送帶的關(guān)系．

解答：解：（1）行李箱剛滑上傳送帶時(shí)做勻加速直線運(yùn)動(dòng)，設(shè)行李箱受到的摩擦力為F_f
根據(jù)牛頓第二定律有：F_f=μmg=ma
解得：a=μg=0.2×10=2.0 m/s²
設(shè)行李箱速度達(dá)到v=3.0 m/s時(shí)的位移為s₁
v²-v₀²=2as₁
s₁=

v2-v02

2a

代入數(shù)據(jù)得：s₁=2.0m
即行李箱在傳動(dòng)帶上剛好能加速達(dá)到傳送帶的速度3.0 m/s
設(shè)摩擦力的沖量為I_f，依據(jù)動(dòng)量定理有：I_f=mv-mv₀
代入數(shù)據(jù)，解得：I_f=20N?s
（2）在行李箱勻加速運(yùn)動(dòng)的過程中，傳送帶上任意一點(diǎn)移動(dòng)的長(zhǎng)度we：s=vt=3 m
行李箱與傳送帶摩擦產(chǎn)生的內(nèi)能為：Q=μmg（s-s₁）
行李箱增加的動(dòng)能為：△E_k=

1

2

m（v²-v₀²）
設(shè)電動(dòng)機(jī)多消耗的電能為E，根據(jù)能量轉(zhuǎn)化與守恒定律得：
E=△E_k+Q       
代入數(shù)據(jù)，解得：E=60J
（3）物體勻加速能夠達(dá)到的最大速度：v_m=

v02+2aL

=

12+2×2×2

=3.0m/s
當(dāng)傳送帶的速度為零時(shí)，行李箱勻減速至速度為零時(shí)的位移：s₀=

v02

2a

=

12

2×2

=0.25m＜L
當(dāng)傳送帶的速度0＜v＜3.0m/s時(shí)，行李箱的水平位移x=vt，式中：t=

2h g

=

2×0.45 10

=0.3s為恒量，即水平位移x與傳送帶速度v成正比．
當(dāng)傳送帶的速度v≥3.0m/s時(shí)，
x=vm

2h g

=3×

2×0.45 10

=0.9 m，行李箱從傳送帶水平拋出后的x-v圖象
如圖所示．

答：（1）行李箱從傳送帶上A端運(yùn)動(dòng)到B端過程中摩擦力對(duì)行李箱沖量為20N?s．
（2）為運(yùn)送該行李箱電動(dòng)機(jī)多消耗的電能為60J．
（3）行李箱從B端水平拋出到落地點(diǎn)的水平距離x與傳送帶速度v的關(guān)系圖象．

點(diǎn)評(píng)：傳送帶問題是物理上典型的題型，關(guān)鍵是分析物體的運(yùn)動(dòng)情況，根據(jù)動(dòng)量定理、能量轉(zhuǎn)換合守恒即可求解．