2019年高考物理二輪復(fù)習 難點突破6 傳送帶模型中的能量問題 新人教版.doc

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2019年高考物理二輪復(fù)習 難點突破6 傳送帶模型中的能量問題 新人教版?zhèn)魉蛶У膯栴}是和實際聯(lián)系較緊密的一個物理模型，是高中階段必須掌握的重要內(nèi)容解決此類問題的關(guān)鍵是對傳送帶和物體進行動態(tài)分析和終態(tài)推斷，靈活巧妙地從能量的觀點和力的觀點來揭示其本質(zhì)、特征、過程因此在力學復(fù)習中，通過研究傳送帶類習題，將力學各部分內(nèi)容串聯(lián)起來，再利用功能觀點處理傳送帶問題，往往能達到融會貫通的效果對傳送帶問題要進行兩種分析：1受力和運動分析對傳送帶上的物體首先要進行受力分析，判斷物體受到的滑動摩擦力方向及物體的運動狀態(tài)，是加速，是減速，還是勻速；其次判斷摩擦力突變(大小、方向)的臨界狀態(tài)；最后運用運動學知識求加速度、速度、位移等物理量，進而利用功和能的有關(guān)知識，求因摩擦而產(chǎn)生的熱注意：判斷摩擦力的有無、方向時以傳送帶為參考系；臨界狀態(tài)一般發(fā)生在v物與v傳相同的時刻；應(yīng)用運動學公式計算物體的相關(guān)物理量時應(yīng)以地面為參考系2傳送帶中功和能量關(guān)系的分析能量決定因素功能關(guān)系力移動距離重力勢能重力豎直分位移EpWG動能合外力物體(質(zhì)點)對地位移EkW機械能除重力外的其他力物體(質(zhì)點)對地位移E機W其他傳送帶損失電能傳送帶受到物體的作用力，一般表現(xiàn)為摩擦力傳送帶對地移動距離E電Ffx傳送帶產(chǎn)生內(nèi)能與傳送帶間的滑動摩擦力物體相對于傳送帶移動的距離QFfl【典例】如圖所示，比較長的傳送帶與水平方向的夾角37，在電動機帶動下以v04 m/s的恒定速率順時針方向運行在傳送帶底端P處有一離傳送帶很近的固定擋板，可將傳送帶上的物體擋住在距P距離為L9 m的Q處無初速度地放一質(zhì)量m1 kg的物體，它與傳送帶間的動摩擦因數(shù)0.5，物體與擋板的碰撞能量損失及碰撞時間不計，取g10 m/s2，sin370.6，求物體從靜止釋放到第一次返回上升至最高點的過程中：(1)相對傳送帶發(fā)生的位移；(2)系統(tǒng)因摩擦產(chǎn)生的熱量；(3)傳送帶多消耗的電能；(4)物體的最終狀態(tài)及該狀態(tài)后電動機的輸出功率【解析】圖1(1)解法1：力和運動法物體由靜止釋放，沿傳送帶向下加速運動，相對傳送帶亦向下滑，受力如圖1所示，有mgsinmgcosma1，得a12 m/s2與P碰前速度v16 m/s設(shè)物體從Q到P的時間為t1，則t13 s設(shè)物體對地位移為x1，可知x1L9 m，相對傳送帶向下的位移x1x1v0t121 m圖2物體與擋板碰撞后，以速度v1反彈，向上做減速運動，因v1v0，物體相對傳送帶向上滑，設(shè)速度減小到與傳送帶速度相等的時間為t2，此過程受力如圖2所示，有mgsinmgcosma2得a210 m/s2，t20.2 s在t2時間內(nèi)物體對地向上的位移x2t21 m相對傳送帶向上的位移x2x2v0t20.2 m物體速度與傳送帶速度相等后，由于mgsinmgcos物體不能勻速，將相對傳送帶向下滑，對地向上做加速度大小為a3a12 m/s2的減速運動，設(shè)速度減小到零的時間為t3，t32 s此過程中物體對地向上的位移x3t34 m相對傳送帶向下的位移x3v0t3x34 m整個過程中兩者相對滑動位移為xx1x2x324.8 m.解法2：相對運動法以傳送帶為參考系，在求出相對初速度和相對加速度后，三個階段物體相對傳送帶的位移分別為x1v0t1a1t21 mx2(v1v0)t2a2t0.2 mx3a3t4 m第二階段物體相對傳送帶向上運動，兩者相對滑動總位移為xx1x2x324.8 m.解法3：圖象法設(shè)沿傳送帶向上為正方向，畫出如圖3所示物體和傳送帶運動的vt圖象，直接用物體和傳送帶vt圖線所夾的面積表示相對發(fā)生的位移：圖3x121 m，x20.2 mx3v0t34 m兩者相對滑動的總位移為xx1x2x324.8 m.(2)系統(tǒng)因摩擦產(chǎn)生的熱量，是由于一對滑動摩擦力作用點移動的不同導致做功不等而造成的，產(chǎn)生的熱量不是與傳送帶和物體間的相對移動的位移而是與相對移動的距離有關(guān)(如圖4所示陰影部分面積)：QQ1Q2Q3Fflmgcos(x1x2x3)100.8 J.圖4(3)傳送帶消耗的電能是因為傳送帶要克服摩擦力做功，這與傳送帶對地運動位移有關(guān)(如圖5所示陰影部分面積)，在物體向下加速和相對傳送帶向下運動的減速階段，摩擦力對傳送帶做負功消耗電能，在物體相對傳送帶向上運動的減速階段，摩擦力對傳送帶做正功，減少電能損耗圖5E電Ff(x傳送帶1x傳送帶2x傳送帶3)mgcos(v0t1v0t2v0t3)76.8 J即傳送帶多消耗的電能為76.8 J.(4)物體返回上升到最高點時速度為零，以后將重復(fù)上述過程，且每次碰后反彈速度、上升高度依次減小，最終達到一個穩(wěn)態(tài)：穩(wěn)態(tài)的反彈速度大小應(yīng)等于傳送帶速度4 m/s，此后受到的摩擦力總是斜向上，加速度為gsingcos2 m/s2，方向斜向下，物體相對地面做往返“類豎直上拋”運動，對地上升的最大位移為xm4 m，往返時間為T4 s傳送帶受到的摩擦力大小始終為Ffmgcos，穩(wěn)態(tài)后方始終斜向下，故電動機的輸出功率穩(wěn)定為PFfv0mgcosv016 W.【答案】(1)24.8 m(2)100.8 J(3)76.8 J(4)最終狀態(tài)見解析16 W如圖所示，甲、乙兩種粗糙面不同的傳送帶，傾斜于水平地面放置，以同樣恒定速率v向上運動現(xiàn)將一質(zhì)量為m的小物體(視為質(zhì)點)輕輕放在A處，小物體在甲傳送帶上到達B處時恰好達到傳送帶的速率v；在乙傳送帶上到達離B豎直高度為h的C處時達到傳送帶的速率v.已知B處離地面的高度皆為H.則在小物體從A到B的過程中()A兩種傳送帶與小物體之間的動摩擦因數(shù)相同B將小物體傳送到B處，兩種傳送帶消耗的電能相等C兩種傳送帶對小物體做功相等D將小物體傳送到B處，兩種系統(tǒng)產(chǎn)生的熱量相等解析：小物體在兩種傳送帶均做初速度為零的勻加速直線運動，加速度大小agcosgsin，在速度達到v的過程中，小物體在甲傳送帶上的位移s較大，根據(jù)公式a，可知小物體在甲傳送帶上時的加速度較小，根據(jù)agcosgsin，可得tan，即小物體與甲傳送帶間的動摩擦因數(shù)較小，選項A錯誤；在小物體從A到B的過程中，根據(jù)功能關(guān)系可知，傳送帶對小物體做的功等于小物體機械能的增加量，選項C正確；在小物體從A到B的過程中，只有小物體相對傳送帶發(fā)生滑動時，即只有在加速過程中，系統(tǒng)才發(fā)生“摩擦生熱”，根據(jù)公式Qfs相對計算系統(tǒng)產(chǎn)生的熱量，可選取做勻速運動的傳送帶為慣性參考系，小物體在慣性參考系里做初速度大小為v，加速度大小為agcosgsin，末速度為零的勻減速直線運動，可求出s相對，可見，s相對等于小物體相對于地面速度從0加速到v過程中的位移，即系統(tǒng)產(chǎn)生的熱量等于小物體加速過程中摩擦力對小物體做的功，對于甲傳送帶，在加速過程中摩擦力做正功設(shè)為W1，克服重力做功為mgH，動能改變量為mv2，根據(jù)動能定理可求得W1mv2mgH，同理可求出小物體在乙傳送帶上加速過程中摩擦力做的功為W2mv2mg(Hh)，顯然W1W2，所以Q1Q2，即甲系統(tǒng)產(chǎn)生的熱量多，選項D錯誤；在將小物體傳送到B處的過程中，傳送帶消耗的電能等于系統(tǒng)增加的機械能和產(chǎn)生的內(nèi)能，兩種系統(tǒng)增加的機械能相等，產(chǎn)生的內(nèi)能不等，所以消耗的電能不等，選項B錯誤答案：C如圖所示，在大型超市的倉庫中，要利用皮帶運輸機將貨物由平臺D運送到高為h2.5 m的平臺C上為了便于運輸，倉儲員在平臺D與皮帶間放了一個圓周的光滑軌道ab，軌道半徑為R0.8 m，軌道最低點與皮帶接觸良好已知皮帶和水平面間的夾角為37，皮帶和貨物間的動摩擦因數(shù)為0.75，運輸機的皮帶以v01 m/s的速度沿順時針方向勻速運動(皮帶和輪子之間不打滑)現(xiàn)倉儲員將質(zhì)量為m200 kg的貨物放于軌道的a端(g10 m/s2)求：(1)貨物到達圓軌道最低點b時對軌道的壓力；(2)貨物沿皮帶向上滑行多遠才能相對皮帶靜止；(3)皮帶將貨物由A運送到B需對貨物做多少功解析：(1)貨物由a到b，由機械能守恒定律得mgRmv2解得v m/s4 m/s在最低點b，由F合ma得FmgmFm200 N6103 N由牛頓第三定律可知貨物到達圓軌道最低點時對軌道的壓力FF6103 N.(2)貨物在皮帶上運動時，由動能定理得：mgxsin37fxmvmv2且fmgcos37解得：x0.625 m.(3)由于tan37，則貨物減速到v0后便和皮帶一起勻速向上運動貨物由平臺D運送到平臺C的過程中，由功能關(guān)系知，皮帶對貨物做的功為Wmg(hR)mv3 500 J.答案：(1)6103 N(2)0.625 m(3)3 500 J