传送带加速过程中,传送带相对煤块的位移【相对初速度为零,相对加速度是】
传送带匀速过程中,传送带相对煤块的位移【相对初速度为t,相对加速度是】
整个过程中传送带相对煤块的位移即痕迹长度 ③
由以上各式得
【小结】本方法的思路是用相对速度和相对加速度求解。关键是先选定好过程,然后对过程进行分析,找准相对初末速度、相对加速度。
方法四:用图象法求解
画出传送带和煤块的V-t图象,如图2-6所示。 其中,,
黑色痕迹的长度即为阴影部分三角形的面积,有:
【小结】本方法的思路是运用在速度-时间图象中,图线与其所对应的时间轴所包围图形的面积可以用来表示该段时间内的位移这个知识点,来进行求解,本方法不是基本方法,不易想到,但若能将它理解透,做到融会贯通,在解决相应问题时,就可以多一种方法。
【总结】本题题目中明确写道:\经过一段时间,煤块在传送带上留下一段黑色痕迹后,煤块相对于传送带不再滑动。\这就说明第一阶段传送带的加速度大于煤块的加速度。当传送带速度达到时,煤块速度,此过程中传送带的位移大于煤块的位移。接下来煤块还要继续加速到,传送带则以做匀速运动。两阶段的物体位移之差即为痕迹长度。
有的学生对此过程理解不深,分析不透,如漏掉第二阶段只将第一阶段位移之差作为痕迹长度;将煤块两阶段的总位移作为痕迹长度;用第一阶段的相对位移与第二阶段的煤块位移之和作为痕迹长度;还有的学生分三种情况讨论;有的甚至认为煤块最终减速到零,这些都说明了学生对物体相对运动时的过程分析能力还有欠缺。
处理物体和传送带的运动学问题时,既要考虑每个物体的受力情况及运动情况,又要考虑到它们之间的联系与区别,只有这样,才能从整体上把握题意,选择规律时才能得心应手。 例7:一小圆盘静止在桌布上,位于一方桌的水平桌面的中央。桌布的一边与桌的AB边重合,如图2-7,已知盘与桌布间的动摩擦因数为μl,盘与桌面间的动摩擦因数为μ2。现突然以恒定加速度a将桌布抽离桌面,加速度方向是水平的且垂直于AB边。若圆盘最后未从桌面掉下,则加速度a满足的条件是什么?(以g表示重力加速度)
【审题】这是一道特别复杂的综合题,不仅物理过程多,而且干扰因素也多。乍看不是传送带的题目,但处理方法与例题6几乎完全相同。可以将题中复杂的物理过程拆散分解为如下3个小过程,就可以化繁为简、化难为易,轻易破解本题。
过程1:圆盘从静止开始在桌布上做匀加速运动至刚离开桌布的过程;
过程2:桌布从突然以恒定加速度a开始抽动至圆盘刚离开桌布这段时间内做匀加速运动的过程;
过程3:圆盘离开桌布后在桌面上做匀减速直线运动的过程。
设桌面长为L,开始时,桌布、圆盘在桌面上的位置如图2-8甲所示;
圆盘位于桌面的中央,桌布的最左边位于桌面的左边处。由于桌布要从圆盘下抽出,桌布与圆盘之间必有相对滑动,圆盘在摩擦力作用下有加速度,其加速度a1应小于桌布的加速度a,但两者的方向是相同的。当桌布与圆盘刚分离时,圆盘与桌布的位置如图2-8乙所示。 圆盘向右加速运动的距离为x1,桌布向右加速运动的距离为L+x1。圆盘离开桌布后,在桌面上作加速度为a2的减速运动直到停下,因盘未从桌面掉下,故而盘作减速运动直到停下所运动的距离为x2,不能超过L-x1。通过分析并画出图2-8丙。
本题虽然是一个大多数同学都熟悉、并不难想象或理解的现象,但第一次能做对的同学并不多,其中的原因之一就是不善于在分析物理过程的同时正确地作出情境示意图,借助情境图来找出时间和空间上的量与量之间的关系。 【解析】
1.由牛顿第二定律:
μlmg=mal ① 由运动学知识:
v12=2al x1 ②
2.桌布从突然以恒定加速度a开始抽动至圆盘刚离开桌布这段时间内做匀加速运动的过程。 设桌布从盘下抽出所经历时间为t,在这段时间内桌布移动的距离为x1, 由运动学知识:
x =at2 ③ x1=a1t2 ④
而x=L+x1 ⑤
3.圆盘离开桌布后在桌面上做匀减速直线运动的过程。
设圆盘离开桌布后在桌面上作匀减速运动,以a2表示加速度的大小,运动x2后便停下,由牛顿第二定律:
μ2mg=ma2 ⑥ 由运动学知识:
v12=2a2 x2 ⑦ 盘没有从桌面上掉下的条件是: x2≤L-x1 ⑧ 由以上各式解得: ≥ ⑨
【总结】此解题方法是运用了最基本的牛顿第二定律和运动学知识来解决这一复杂物理过程的,其实题目再复杂,也是用最基本的基础知识来求解的。当然,也可以从动能定理、动量定理、功能关系或v-t图象等角度求解。 (3)突破难点3
第3个难点也应属于思维上有难度的知识点。对于匀速运动的传送带传送初速为零的物体,
传送带应提供两方面的能量,一是物体动能的增加,二是物体与传送带间的摩擦所生成的热(即内能),有不少同学容易漏掉内能的转化,因为该知识点具有隐蔽性,往往是漏掉了,也不能在计算过程中很容易地显示出来,尤其是在综合性题目中更容易疏忽。突破方法是引导学生分析有滑动摩擦力做功转化为内能的物理过程,使\只要有滑动摩擦力做功的过程,必有内能转化\的知识点在学生头脑中形成深刻印象。
一个物体以一定初速度滑上一粗糙平面,会慢慢停下来,物体的动能通过物体克服滑动摩擦力做功转化成了内能,当然这个物理过程就是要考查这一个知识点,学生是绝对不会犯错误的。
质量为M的长直平板,停在光滑的水平面上,一质量为m的物体,以初速度v0滑上长板,已知它与板间的动摩擦因数为μ,此后物体将受到滑动摩擦阻力作用而做匀减速运动,长板将受到滑动摩擦动力作用而做匀加速运动,最终二者将达到共同速度。其运动位移的关系如图2-9所示。
该过程中,物体所受的滑动摩擦阻力和长板受到滑动摩擦动力是一对作用力和反作用力, W物=-μmg·x物 W板=μmg·x板
很显然x物>x板,滑动摩擦力对物体做的负功多,对长板做的正功少,那么物体动能减少量一定大于长板动能的增加量,二者之差为ΔE=μmg(x物-x板)=μmg·Δx,这就是物体在克服滑动摩擦力做功过程中,转化为内能的部分,也就是说\物体在克服滑动摩擦力做功过程中转化成的内能等于滑动摩擦力与相对滑动路程的乘积。\记住这个结论,一旦遇到有滑动摩擦力存在的能量转化过程就立即想到它。 再来看一下这个最基本的传送带问题:
物体轻轻放在传送带上,由于物体的初速度为0,传送带以恒定的速度运动,两者之间有相对滑动,出现滑动摩擦力。作用于物体的摩擦力使物体加速,直到它的速度增大到等于传送带的速度,作用于传送带的摩擦力有使传送带减速的趋势,但由于电动机的作用,保持了传送带的速度不变。尽管作用于物体跟作用于传送带的摩擦力的大小是相等的,但物体与传送带运动的位移是不同的,因为两者之间有滑动。如果物体的速度增大到等于传送带的速度经历的时间为t,则在这段时间内物体运动的位移小于传送带运动的位移。在这段时间内,传送带克服摩擦力做的功大于摩擦力对物体做的功(这功转变为物体的动能),两者之差即为摩擦发的热。所谓传送带克服摩擦力做功,归根到底是电动机在维持传送带速度不变的过程中所提供的。
例8:如图2-11所示,水平传送带以速度匀速运动,一质量为的小木块由静止轻放到传送带上,若小木块与传送带之间的动摩擦因数为μ,当小木块与传送带相对静止时,转化为内能
的能量是多少?
【审题】该题首先得清楚当小木块与传送带相对静止时,转化为内能的能量应该怎么来求,要想到用\物体在克服滑动摩擦力做功过程中转化成的内能等于滑动摩擦力与相对滑动路程的乘积。\这一结论,然后再根据物体和传送带的运动情况来求二者相对滑动的距离。 【解析】
在木块从开始加速至与传送带达到共同速度的过程中
由公式 可得:
从木块静止至木块与传送带达到相对静止的过程中木块加速运动的时间
传送带运动的位移
木块相对传送带滑动的位移
摩擦产生的热:
【总结】单独做该题目时,就应该有这样的解题步骤,不过,求相对位移时也可以物体为参考系,用传送带相对物体的运动来求。在综合性题目中用到该过程时,则直接用结论即可。该结论是:从静止放到匀速运动的传送带上的物体,在达到与传送带同速的过程中,转化为内能的能量值和物体增加的动能值相等。因为物体在该过程中的对地位移与传送带相对物体的位移大小是相等的。
例9:如图2-13所示,倾角为37o的传送带以4m/s的速度沿图示方向匀速运动。已知传送带的上、下两端间的距离为L=7m。现将一质量m=0.4kg的小木块放到传送带的顶端,使它从静止开始沿传送带下滑,已知木块与传送带间的动摩擦因数为μ=0.25,取g=10m/s2。求木块滑到底的过程中,摩擦力对木块做的功以及生的热各是多少?
【审题】该题目要分成两段考虑,第一段:木块的速度v
F合1=mgsin37o+μmgcos37o, 由牛顿第二定律,加速度大小 a1==8m/s2, 该过程所用时间
t1==0.5s, 位移大小 s1==1m。
二者速度大小相同后,合力的大小为 F合2=mgsin37o-μmgcos37o, 加速度大小 a2==4m/s2, 位移大小
s2= L-s1= 6m,
所用时间 s2= v0t2+ 得: t2=1s。
(另一个解t2=-3s舍去) 摩擦力所做的功
W=μmgcos37o·(s1-s2) =-4.0J, 全过程中生的热 Q=f·s相对
=μmgcos37o·【(v0t1-s1)+(s2-v0t2)】 =0.8N×3m=2.4J。
【总结】该题目的关键在于分析清楚物理过程,分成两段处理,正确分析物体受力情况,求出物体和传送带的位移,以及物体和传送带间的相对位移。
例10:一传送带装置示意如图2-14,其中传送带经过AB区域时是水平的,经过BC区域时变为圆弧形(圆弧由光滑模板形成,未画出),经过CD区域时是倾斜的,AB和CD都与BC相切。现将大量的质量均为m的小货箱一个一个在A处放到传送带上,放置时初速为零,经传送带运送到D处,D和A的高度差为h。稳定工作时传送带速度不变,CD段上各箱等距排列,相邻两箱的距离为L。每个箱子在A处投放后,在到达B之前已经相对于传送带静止,且以后也不再滑动(忽略经BC段时的微小滑动)。已知在一段相当长的时间T内,共运送小货箱的数目为N。这装置由电动机带动,传送带与轮子间无相对滑动,不计轮轴处的摩擦。求电动机的平均输出功率。 【审题】小货箱放在传送带的AB段上时,由于货箱的初速度为0,传送带以恒定的速度运动,两者之间有相对滑动,出现滑动摩擦力。作用于货箱的摩擦力使货箱加速,直到它的速度增大到等于传送带的速度,作用于传送带的摩擦力有使传送带减速的趋势,但由于电动机的作用,保持了传送带的速度不变。尽管作用于货箱跟作用于传送带的摩擦力的大小是相等的,但小货箱与传送带运动的路程是不同的,因为两者之间有滑动。如果货箱的速度增大到等于传送带的速度经历的时间为t,则在这段时间内货箱运动的路程和传送带运动的路程分别是解答中的①式和③式,两者大小不同,由解答中的④式给出。在这段时间内,传送带克服摩擦力做的功大于摩擦力对货箱做的功(这功转变为货箱的动能),两者之差即为摩擦发的热。所谓传送带克服摩擦力做功,归根到底是电动机在维持传送带速度不变的过程中所提供的。这也就是在传送带的水平段上使一只小货箱从静止到跟随传送带一起以同样速度运动的过程中,电动机所做的功,这功一部分转变为货箱的动能,一部分因摩擦而发热。当货箱的速度与传送带速度相等后,只要货箱仍在传送带的水平段上,电动机无需再做功。为了把货箱从C点送到D点,电动机又要做功,用于增加货箱的重力势能mgh。由此便可得到输送N只货箱的过程中电动机输出的总功。
以上分析都是在假定已知传送带速度的条件下进行的,实际上传送带的速度是未知的。因此要设法找出。题中给出在时间T内运送的小货箱有N只,这是说,我们在D处计数,当第1只货箱到达D处时作为时刻t=0,当第N只货箱到达D处时恰好t=T。如果把这N只货箱以L的距离间隔地排在CD上(如果排得下的话),则第N只货箱到D处的距离为(N-1)L,当该货箱到达D处,即传送带上与该货箱接触的那点在时间T内运动到D点,故有。由此便可求出,电动机的平均功率便可求得。由于N很大,N与N-1实际上可视作相等的。
【解析】以地面为参考系(下同),设传送带的运动速度为,在水平段的运输过程中,小货箱先在滑动摩擦力作用下做匀加速运动,直到其速度与传送带的速度相等。设这段路程为s,所用的时间为t,加速度为a,则对小货箱有 ①