Question

如圖甲所示，質(zhì)量M=20kg的物體從光滑曲面上高度H=0.8m處釋放，到達(dá)底端時(shí)水平進(jìn)入水平傳送帶，傳送帶由一電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)著勻速向左傳動(dòng)，速率為3m/s．已知物體與傳送帶間的動(dòng)摩擦因數(shù)μ=0.1，則：
（1）若兩皮帶輪之間的距離是6m，物體沖上傳送帶后就移走光滑曲面，物體將從哪一邊離開(kāi)傳送帶？通過(guò)計(jì)算說(shuō)明你的結(jié)論．
（2）若皮帶輪間的距離足夠大，從M滑上到離開(kāi)傳送帶的整個(gè)過(guò)程中，由于M和傳送帶間的摩擦而產(chǎn)生了多少熱量？
（3）若皮帶輪間的距離足夠大，從M滑上皮帶后經(jīng)過(guò)2s的那一時(shí)刻，一顆質(zhì)量為m=20g的子彈從右邊擊中物體，如圖乙所示，子彈的速度為v=1000m/s．擊中物體后子彈留在物體中并不穿出，而且子彈擊中物體所用時(shí)間極短，可忽略不計(jì)．試畫(huà)出物體從滑上到離開(kāi)傳送帶的整個(gè)過(guò)程中的速度-時(shí)間圖象（取水平向右方向?yàn)檎�）�?br />

Answer 1

分析：（1）由機(jī)械能守恒可求得物體到達(dá)底部時(shí)的速度；由牛頓第二定律可求得物體在傳送帶上運(yùn)動(dòng)時(shí)的加速度，則可求得物體的運(yùn)動(dòng)情況，進(jìn)而確定小球從哪一端離開(kāi)；
（2）摩擦力與物體和傳送帶之間的相對(duì)滑動(dòng)位移的乘積轉(zhuǎn)化為熱量．
（3）物體先向右運(yùn)動(dòng)，再向左運(yùn)動(dòng)，分兩個(gè)方向進(jìn)行討論即可求出物體從滑上到離開(kāi)傳送帶的速度-時(shí)間的關(guān)系，進(jìn)而畫(huà)出圖象．

解答：解：（1）物體將從傳送帶的右邊離開(kāi)．
物體從曲面上下滑到低端時(shí)的速度為：v=

2gh

=4m/s
以地面為參照系，物體滑上傳送帶后先向右做勻減速運(yùn)動(dòng)直到速度為零，后向左做勻加速運(yùn)動(dòng)，直到速度與皮帶速度相等后與皮帶相對(duì)靜止（這一段時(shí)間內(nèi)物體相對(duì)于傳送帶一直向右滑動(dòng)），期間物體的加速度大小和方向都不變，加速度大小為：a=

Ff

M

=μg=1m/s²
物體從滑上傳送帶到相對(duì)地面速度減小到零，對(duì)地向右發(fā)生的位移為：S1=

02- v 2 0

2(-a)

=

02-42

2(-1)

m=8m＞6m，表明物體將從右邊離開(kāi)傳送帶．
（2）以地面為參考系，若兩皮帶輪間的距離足夠大，則物體滑上傳送帶后先向右做勻減速運(yùn)動(dòng)直到速度為零，后向左做勻加速運(yùn)動(dòng)，直到速度與傳送帶速度相等后與傳送帶相對(duì)靜止，從傳送帶左端掉下．期間物體的加速度大小和方向都不變，
加速度大小為：a=

Ff

M

=μg=1m/s²
所以，物體發(fā)生的位移為：S1=

vt2- v 2 0

2(-a)

=

32-42

2(-1)

m=3.5m
取向右為正．物體運(yùn)動(dòng)的時(shí)間為：t=

vt-v0

-a

=

-3-4

-1

s=7s
這段時(shí)間內(nèi)皮帶向左運(yùn)動(dòng)的位移為：S₂=ut=3×7m=21m
所以物體相對(duì)于傳送帶滑行的距離為△S=S₁+S₂=24.5m
物體與傳送帶有相對(duì)滑動(dòng)期間產(chǎn)生的熱量為：Q=F_f?△S=μMg?△S=490J
（3）物體滑上傳送帶經(jīng)過(guò)t₁=2s時(shí)的速度為：v₁=v₀-at₁=2m/s，
滑過(guò)的距離為：S1=

v0+v1

2

?t1=6m；
此時(shí)物體將向右做勻減速運(yùn)動(dòng)直到速度為零，向右運(yùn)動(dòng)的距離為：
S1=

02- v 2 2

2(-a)

=

02-12

2(-1)

m=0.5m，所用的時(shí)間為：t2=

0-v2

-a

=1s；
后又向左做勻加速運(yùn)動(dòng)直到速度為u=3m/s，所用時(shí)間為：t3=

u-0

a

=3s，發(fā)生位移為：S3=

1

2

at2=4.5m；
以后還要繼續(xù)向左以速度u=3m/s勻速運(yùn)動(dòng)距離：S₄=S₁+S₂-S₃=2m，所用時(shí)間為t4=

S4

u

=

2

3

s．所作圖線如圖所示．
答：（1）若兩皮帶輪之間的距離是6m，物體沖上傳送帶后就移走光滑曲面，物體將從右邊離開(kāi)傳送帶．
（2）若皮帶輪間的距離足夠大，從M滑上到離開(kāi)傳送帶的整個(gè)過(guò)程中，由于M和傳送帶間的摩擦而產(chǎn)生了490J的熱量．
（3）畫(huà)出物體從滑上到離開(kāi)傳送帶的整個(gè)過(guò)程中的速度-時(shí)間圖象如右上圖所示．

點(diǎn)評(píng)：類(lèi)題目要注意分析產(chǎn)生的熱量即為摩擦力與相對(duì)位移間的乘積，再由能量守恒即可求得總能量，要注意分析能量間的相互轉(zhuǎn)化．