专题4 传送带模型专题

专题4 传送带模型专题 传送带相关问题专题 一、难点形成的原因: 1、对于物体与传送带之间是否存在摩擦力、是滑动摩擦力还是静摩擦力、摩擦力的方向如何等，这些关于摩擦力的产生条件、方向的判断等基础知识模糊不清; 2、对于物体相对地面、相对传送带分别做什么样的运动，判断错误; 3、对于物体在传送带上运动过程中的能量转化情况考虑不全面，出现能量转化不守恒的错误过程。 二、难点突破策略: 1、摩擦力的判断 第1个难点应属于易错点，突破方法是先要正确理解摩擦力产生的条件、方向的判断方法、大小的决定因素等等。 摩擦力的产生条件: ?物体间相互接触、挤压; ?接触面不光滑; ?物体间有相对运动趋势或相对运动。 2、运动状态的判断 第2个难点是对于物体相对地面、相对传送带分别做什么样的运动，判断容易错误。 解决此问题的方法是对在传送带上的物体进行正确的受力分析，尤其 要注意摩擦力的突变(大小、方向)，要知道摩擦力突变的时刻均发生在v物= v带的时刻。 由于摩擦力的突变导致运动状态的改变，即物体相对地面、相对传送带分别做什么样的运动。 我们先来看一个最基本的传送带问题: 图1 如图1甲所示，A、B分别是传送带上和物体上的一点，刚放上物体时，两点重合。设皮带的速度为v0，物体做初速为零的匀加速直线运动，末速为v0，其平均速度为 所以物体的对地位移x物?v0， 2v0t，传送带对地位移x传?v0t，所以A、B两点分别运动到如图1乙2 所示的A,、B,位置，物体相对传送带的位移也就显而易见了，x物?x传，就是图1乙中的A,、B,2 间的距离，即传送带比物体多运动的距离，也就是 3、能量的转化 第3个难点也应属于思维上有难度的知识点。必须要牢记一点:只要有滑动摩擦力做功的过程，必有内能转化。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。 这里容易犯错误的地方是在整个过程中对产生的内能判断错误，也就是说对物体相对于传送带的位移搞不清楚。下面先来看一个例子: 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所示。 图2 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。 摩擦力对物体所做的功:W物=,μmg)x物 摩擦力对传送带所做的功:W带=μmg)x带 很显然x物> x带，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??mg(x物?x带)??mg?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”。即:Q?f?s相对。 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: 图 3 若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。 三、解决方法: 高中物理涉及传送带的问题一般分工件在水平传送带上的运动和工件在倾斜传送带上的运动两类，下面按照这两种类型分别进行讨论: (一)水平传送带 当传送带水平运动时，应特别注意摩擦力的突变和物体运动状态的变化。摩擦力的突变，常常导致物体受力情况和运动性质的突变。静摩擦力达到最大值，是物体恰好相对静止的临界状态;滑动摩擦力存在于发生相对运动的物体之间，因此两物体的速度达到相同时，滑动摩擦力要发生突变(滑动摩擦力为零或为静摩擦力)。 例1 如图4所示，水平传送带A(左端)、B(右端)两端相距S=3.5m，工件与传送带间的动摩擦因数μ=0.1，工件滑上A端瞬间速度vA=4m/s，到达B端的瞬间速度设为vB。求: (1)若传送带不动，vB多大, (2)若传送带以速度v(匀速)逆时针转动，vB多大, (3)若传送带以速度v(匀速)顺时针转动，vB多大, 图4 解析:(1)取工件为研究对象，若传送带不动，工件在传送带上受到 向左的滑动摩擦力作用，做匀减速运动，由牛顿第二定律得:?mg?ma ? a??g?1m/s2 有两种可能:或减速停在 A、B 之间;或一直减速到B。假设一直减速到B恰vB?0，则: 22?vB?2(?a)s ? vB?3m/s vA?2as?7m/s?4m/s，所以工件将一直减速到B。有:vA (2)如图5所示，传送带以速度v(匀速)逆时针转动，工件在传送带上依然受到向左的滑动摩擦力作用，做匀减速运动，依题意得运动和受力同(1)问的类似。故工件也将一直减速到B， vB?3m/s。 图 5 (3)如图6所示，传送带以速度 v(匀速)顺时针转动，对于不同的传送带速度，工件相对传送带的运动:或相对静止;或相对向右;或相对向左。 图6 ? 若传送带向右的速度v?4m/s，工件在水平方向不受传送带的摩擦力，一直匀速到 B 。 ? 若传送带向右的速度v?4m/s，工件受到向右的滑动摩擦力作用而加速运动。加速度由?mg?ma ? a??g?1m/s2 有两种可能:或先加速再匀速(即工件加速到跟传送带的速度相等时，滑动摩擦力突变为零);或一直加速。工件能一直加速到B的条件是传送带的速度有极值vm，令工件能一直加速到 B 时的速 22度恰等于传送带的速度。于是，vA?vB?2as ? vB?23m/s 由于4m/s?v?23m/s，工件在传送带上先加速后匀速到B，vB?v;若v?23m/s， 工件一直减速到B，vB?23m/s。 ? 若传送带向右的速度v?4m/s，工件受到向左的滑动摩擦力作用而减速运动。加速度由??mg?ma ? a???g??1m/s2。 有两种可能:或先减速再匀速(即工件减速到跟传送带的速度相等时，滑动摩擦力突变为零);或一直减速。工件能一直减速到B的条件是传送带的速度有极值vm，令工件能一直减速到 B 时的速度恰等于传送带的速度。 22于是，vA?vB?2(?a)s ? vB?3m/s 由于4m/s?v?3m/s，工件在传送带上先减速后匀速到B，vB?v;若v?3m/s，工件一直减速到B，vB?3m/s。 【小结】物体的运动、传送带的运动都是独立的运动，两者并没有什么牵连，只是物体压在传送带上，由相对滑动使物块受滑动摩擦力，产生加速度而改变物体的运动状态。 【跟踪训练1】如图7所示为水平传送带装置示意图，绷紧的传送 带AB始终保持v0=2m/s的恒定速率顺时针运行，一质量为m的工件无 初速度地放在A处，传送带对工件的滑动摩擦力使工件开始做匀加速直 线运动，设工件与传送带间的动摩擦因数为??0.2，AB的之间距离为 L?10m，g取10m/s 。求工件从A处运动到B处所用的时间。 2图7 【跟踪训练2】如图8所示为车站使用的水平传送带的模型，传送带 长L,8m，以速度v,4m/s沿顺时针方向匀速转动，现有一个质量为 m ,10kg的旅行包以速度v0,10m/s的初速度水平地滑上水平传送带(已 图8 知旅行包与皮带间的动摩擦因数为μ,0.6，则旅行包从传送带的A端到 B端所需要的时间是多少,(g,10m/s2，且可将旅行包视为质点) 【跟踪训练3】如图9所示，当传送带静止时，物体从左端以速度 v0滑上传送带后，落到地面上的P点，若传送带随轮逆时针转动，仍让 物体由左端以速度滑上传送带，那么( ) A(仍落在P点 B(将落在P点左边 图9 C(落在P点右边 D(无法判定落点 若上题中传送带顺时针转动，再把物块以原来的速度滑上传送带，则物体又会落到何处, 例2 如图10所示，水平传送带以速度v匀速运动，一质量为m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, 图10 【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: F摩??FN??mg a? 2F合m??mgm??g 图11 v2v2由公式:v?2ax 可得:x? ?2a2?g 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: t? 传送带运动的位移:x??vt?v2vv? a?g?g 2 木块相对传送带滑动的位移:?x?x??x?v?g v21 摩擦产生的热:Q?F擦??x??mg??mv2 2?g2 【 总结 初级经济法重点总结下载党员个人总结TXt高中句型全总结.doc高中句型全总结.doc理论力学知识点总结pdf 】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3 在民航和火车站可以看到用于对行李进行安全检查的水平传送带。当旅客把行李放到传送带上时，传送带对行李的滑动摩擦力使行李开始做匀加速运动。随后它们保持相对静止，行李随传送带一起前进。设传送带匀速前进的速度为0.25m/s，把质量为5kg的木箱静止放到传送带上，由于滑动摩擦力的作用，木箱以6m/s2的加速度前进，那么这个木箱放在 传送带上后，传送带上将留下一段多长的摩擦痕迹, 【审题】传送带上留下的摩擦痕迹，就是行李在传送带上滑动过程中留下的，行李做初速为零的匀加速直线运动，传送带一直匀速运动，因此行李刚开始时跟不上传送带的运动。当行李的速度增加到和传送带相同时，不再相对滑动，所以要求的摩擦痕迹的长度就是在行李加速到0.25m/s的过程中，传送带比行李多运动的距离。 【解析】 解法一:行李加速到0.25m/s所用的时间:t? 行李的位移: x行李?v00.25?s?0.042s a6121at??6?(0.042)2m?0.0053m 22 传送带的位移: x传送带?v0t?0.25?0.042m?0.0105m 摩擦痕迹的长度:?x?x传送带?x行李?0.0052m?5mm (求行李的位移时还可以用行李的平均速度乘以时间，行李做初速为零的匀加速直线运动，?v0 2。) 解法二:以匀速前进的传送带作为参考系，设传送带水平向右运动，木箱刚放在传送带上时，相对于传送带的速度v?0.25m/s，方向水平向左。木箱受到水平向右的摩擦力F的作用，做减速运动，速度减为零时，与传送带保持相对静止。 木箱做减速运动的加速度的大小为:a?6m/s2 v00.252 木箱做减速运动到速度为零所通过的路程为:?x??m?0.0052m?5mm 2a2?6 即留下5mm长的摩擦痕迹。 【总结】分析清楚行李和传送带的运动情况，相对运动通过速度位移关系是解决该类问题的关键。 例题4(2006年全国理综I第24题)一水平的浅色长传送带上放置一煤块(可视为质点)，煤块与传送带之间的动摩擦因数为μ。初始时，传送带与煤块都是静止的。现让传送带以恒定的加速度a0开始运动，当其速度达到v0后，便以此速度做匀速运动。经过一段时间，煤块在传送带上留下了一段黑色痕迹后，煤块相对于传送带不再滑动。求此黑色痕迹的长度。 【审题】本题难度较大，传送带开始阶段也做匀加速运动了，后来又改为匀速，物体的运动情况则受传送带的运动情况制约，由题意可知，只有?g?a0才能相对传送带滑动，否则物体将与传送带一 直相对静止。因此该题的重点应在对物体相对运动的情景分析、相对位移的求解上，需要较高的分析综合能力。 【解析】根据“传送带上有黑色痕迹”可知，煤块与传送带之间发生了相对滑动，煤块的加速度a小于传送带的加速度a0。根据牛顿运动定律，可得:a??g 设经历时间t，传送带由静止开始加速到速度等于v0，煤块则由静止加速到v，有: v0 = a0t ? v = at ? 由于a?a0，故v?v0，煤块继续受到滑动摩擦力的作用。再经过时间t?，煤块的速度由v增加到v0，有:v0?v?at? ? 2 此后，煤块与传送带运动速度相同，相对于传送带不再滑动，不再产 生新的痕迹。 设在煤块的速度从0增加到v0的整个过程中，传送带和煤块移动的距离分别为s0和s，有 2v0 s?2a1s0?a0t2?v0t? ? 2 ? 传送带上留下的黑色痕迹的长度:l?s0?s 2? 由以上各式得:l?v0(a0??g) 2?a0g 【小结】本方法的思路是整体分析两物体的运动情况，分别对两个物体的全过程求位移。 (二)倾斜传送带 传送带是倾斜方向的，情况比较复杂，因为在运动方向上，物体要受重力沿斜面的下滑分力作用，该力和物体运动的初速度共同决定相对运动或相对运动趋势方向。求解的关键在于认真分析物体与传送带的相对运动情况，从而确定是否受到滑动摩擦力作用。如果受到滑动摩擦力作用应进一步确定其大小和方向，然后根据物体的受力情况确定物体的运动情况。当物体速度与传送带速度相等时，物体所受的摩擦力有可能发生突变。 例5 如图12所示，假设足够长的传送带的倾角为?: 图12 ?静止的传送带上有木块正以速度v0匀速下滑，当传送带突然启动后，木块滑到底部所用的时间t与传送带不动所用的时间t0相比较谁大谁小, ?如果传送带转动，木块以平行传送带的初速度v0滑上传送带的某 一端，木块所受滑动摩擦力不等于mgsin?，木块运动状态如何, 解析:第(1)问题属于摩擦力f??mgcos??mgsin?的情况。 1. 传送带以v向上启动，木块以v0向下滑动，两者方向相反，如图13所示: 图 13 在传送带上木块受重力、支持力、摩擦力。由于传送带静止时，木块匀速下滑，说明木块所受的摩擦力沿传送带向上，且有f??mgcos??mgsin?，传送带启动后，由于mgsin?和?mgcos?都不变，木块仍然以v0匀速下滑(相对地面)，所以t=t0。(不管传送带向上如何启动都一样) 2. 如果传送带以v匀速向下运动，传送带运行的方向与v0方向一致。如图14所示: 图14 当v?v0，由于传送带的速度不大于木块的速度，木块相对于传送带向下运动，木块所受的摩擦力沿传送带向上，大小仍然为?mgcos?，且等于mgsin?，木块仍以v0的速度匀速下滑，t=t0。 当v>v0，由于传送带的速度大于木块的速度，木块相对传送带是向上滑动的，木块所受摩擦力是向下的，将以加速度a?(?cos??sin?)g向下加速运动，直到v0增大到v为止，以后匀速(当木块的速度与传送带的速度相等时，向下的滑动摩擦力突变为向上的静摩擦力)，则t<t0。 第(二)问题属于滑动摩擦力f??mgcos??mgsin?的情况。 1. 传送带运行方向与v0的方向相反: ?木块以v0沿传送带向上，传送带逆时针转动，如图15所示: 图 15 ?当?mgcos??mgsin?，木块受沿传送带向下的摩擦力?mgco?s，则木块先以a1?(?cos??sin?)g减速再反向加速，直至以v匀速(当木块的速度与传送带的速度相等时，向下的滑动摩擦力突变为向上的静摩擦力，大小为mgsin?); ?当?mgcos??mgsin?，则木块先以 a1?(?cos??sin?)g减速(直到木块相对于大地瞬间静止时，即木块速度大小与传送带速度大小相等时，滑动摩擦力突变为向上的滑动摩擦力)，再以a2?(sin???cos?)g反向加速。 ?木块以v0沿传送带向下，传送带顺时针转动，如图16所示: 图16 ?当?mgcos??mgsin?，木块沿传送带向上的摩擦力?mgcos?，则木块先以a1?(?cos??sin?)g减速再反向加速，增大到v为止，以后匀速(当木块的速度与传送带的速度相等时，向下的滑动摩擦力突变为向上的静摩擦力，大小为mgsin?); ?当?mgcos??mgsin?，则木块受到斜向上的摩擦力?mgcos ?，则木块以a?(sin???cos?)g一直加速到底。 2. 传送带运行方向与v0的方向一致: ?当?mgcos??mgsin?，传送带逆时针转动，木块以v0沿传送带向下，如图17: 图17 ?当v=v0，木块受沿传送带向上的静摩擦力大小为mgsin?，则木块匀速而下; ?当v>v0，木块相对传送带向上运动，木块受沿传送带向下的摩擦力?mgcos?，则木块先以a?(?cos??sin?)g加速再匀速(当木块的速度与传送带的速度相等时，向下的滑动摩擦力突变为向上的静摩擦力，大小为mgsin?); ?若v<v0，木块相对传送带向下运动，木块受沿传送带向上的摩擦力? mgcos?，则木块先以a?(?cos??sin?)g减速再匀速而下(当木块的速度与传送带的速度相等时，向下的滑动摩擦力突变为向上的静摩擦力，大小为mgsin?)。 ?当?mgcos??mgsin?，传送带顺时针转动，木块以v0沿传送带向上，如图18: 图18 ?若v=v0，木块受沿传送带向上的静摩擦力mgsin?，则木块匀速而上; v>v0，木块相对传送带向下运动，木块受沿传送带向上的摩擦力?mgcos?，则木块先以 a?(?cos??sin?)g加速再匀速(当木块的速度与传送带的速度相等时，向上的滑动摩擦力突变为向上的静摩擦力，大小为mgsin?); ?若v<v0，木块相对传送带向上运动，木块受沿传送带向下的摩擦力?mgcos?，则木块先以a?(?cos??sin?)g减速再匀速而上(当木块的速度与 传送带的速度相等时，向下的滑动摩擦力突变为向上的静摩擦力，大小为mgsin?)。 ?当?mgcos??mgsin?，传送带逆时针转动，木块以v0沿传送带向下，如图19: ?当 图19 v>v0，木块相对传送带向上运动，木块受到向下的摩擦力?mgcos?，则木块先以 a1?(?cos??sin?)g加速向下，当木块的速度与传送带的速度相等时，向下的滑动摩擦力突变为向上的滑动摩擦力，大小为mgsin?。于是再以a2?(sin???cos?)g一直加速到底; ?若v?v0，木块受沿传送带向下的摩擦力?mgcos?，则木块以a?(sin???cos?)g一直加速到底。 ?当?mgcos??mgsin?，传送带顺时针转动，木块以v0沿传送带向上，如图20: ?若 图 20 ?若v<v0，木块相对传送带向上运动，木块受到沿传送带向下的摩擦力?mgcos?，则木块先以a1?(?cos??sin?)g减速(当木块的速度与传送带的速度相等时，向下的滑动摩擦力突变为向上的滑动摩擦力，大小为?mgcos?)，再以a2?(sin???cos?)g减速再反向加速; ?若v?v0，木块受到向上的滑动摩擦力，则木块以a?(sin???cos?)g 先减速再反向加速。 【思路小结】求解传送带问题的关键是找准滑块与传送带速度相等的 临界点，此时工件受到的摩擦力会发生突变，有时由有突变为无，有时由 滑动摩擦力变为静摩擦力，有时滑动摩擦力方向发生突变等。