高考考點傳送帶問題動力學剖析

2022-01-01 02:59:58 字數 4494 閱讀 4890

暢永鋒旬邑中學

一、命題趨向與考點

傳送帶問題是以真實物理現象為依據的問題,它既能訓練學生的科學思維,又能聯絡科學、生產和生活實際,因而,這種型別問題具有生命力,當然也就是高考命題專家所關注的問題。

二、難點形成的原因與難點突破

傳送帶問題的分類,傳送帶分類:水平、傾斜兩種;按轉向分類:順時針、逆時針轉兩種。分析關鍵一是 v物、 v帶的大小與方向;二是mgsinθ與 f 的大小與方向。

1、對於物體與傳送帶之間是否存在摩擦力、是滑動摩擦力還是靜摩擦力、摩擦力的方向如何,等等。顯然突破方法是讓學生正確理解摩擦力產生的條件、方向的判斷方法、大小的決定因素等等

2、對於物體相對地面、相對傳送帶分別做什麼樣的運動,判斷錯誤;突破方法是對物體的運動性質做出正確分析,判斷好物體和傳送帶的加速度、速度關係,畫好草圖分析,找準物體和傳送帶的位移及兩者之間的關係。

本文依據牛頓運動定律通過對傳送帶上物體受力與運動關係的詳細分析已達到解決傳送帶重難點的目的。

三、分類分析

(一)、傳送帶水平放置

動摩擦力或靜摩擦力提供物體運動的加速度。

處理水平放置的傳送帶問題,首先是要對放在傳送帶上的物體進行受力分析,分清物體所受摩擦力是阻力還是動力;其二是對物體進行運動狀態分析,即對靜態→動態→終態進行分析和判斷,對其全過程作出合理分析、推論,進而採用有關物理規律求解.

設傳送帶的速度為v帶,物體與傳送帶之間的動摩擦因數為μ,兩定滑輪之間的距離為l,物體置於傳送帶一端的初速度為v0。

1、 v0=0,(如圖1)v0物體剛置於傳送帶

上時由於受摩擦力作用,將做a =μg的加速運

動。假定物體從開始置於傳送帶上一直加速到

離開傳送帶,則其離開傳送帶時的速度為

v=,顯然有:

v帶<時,物體在傳送帶上將先加速,後勻速。

v帶 ≥時,物體在傳送帶上將一直加速。

2、 v0≠ 0,且v0與v帶同向,(如圖2)

(1) v0<v帶時同上理可知,物體剛運動到帶

上時,將做a =μg 的加速運動,假定物體一直

加速到離開傳送帶,則其離開傳送帶時的速度為v=,顯然有:

v0<v帶<時,物體在傳送帶上將先加速後勻速。

v帶 ≥時,物體在傳送帶上將一直加速。

(2)v0>v帶時

因v0>v帶,物體剛運動到傳送帶時,將做加速度大小為a = μg的減速運動,假定物體一直減速到離開傳送帶,則其離開傳送帶時的速度為v=,顯然:

v帶 ≤時,物體在傳送帶上將一直減速。

v0 >v帶>時,物體在傳送帶上將先減速後勻速。

3、 v0≠ 0,且v0與v帶反向,(如圖3)

此種情形下,物體剛運動到傳送帶上時將

做加速度大小為a = μg 的減速運動,假定物體

一直減速到離開傳送帶,則其離開傳送帶時的速

度為v=,顯然:v ≥ 0,即v0≥時,物體將一直做減速運動直到從傳送帶的另一端離開傳送帶。

v<0,即v0<時,物體將不會從傳送帶的另一端離開而從進入端離開,其可能的運動情形有:

a、先沿v0方向減速,再反向加速直至從放入端離開傳送帶

b、先沿v0方向減速,再沿v0反向加速,最後勻速直至從放入端離開傳送帶。

(二)、傳送帶斜置

摩擦力和重力的分力提供運動的加速度。

傳送帶將物體在斜面上傳送的裝置.處理這類問題,同樣是先對物體進行受力分析,再判斷摩擦力的方向是關鍵,正確理解題意和挖掘題中隱含條件是解決這類問題的突破口.

設傳送帶兩定滑輪間的距離為l,帶與水平面的夾角為θ ,物與帶之間的動摩擦因數為μ,物體置與帶的一端,初速度為v0,傳送帶的速度為v帶。

1、v0=0,(如圖4)

物體剛放到帶的下端時,因v0=0,則其受力如圖所示,顯然只有f - mgsinθ>0,即μ>tgθ時,物體才會被傳送帶帶動從而向上做加速運動,且a=μgcosθ-gsinθ,假定物體一直加速度運動到上端,則物體在離開傳送帶時的速度為v=,顯然:

v帶<時,物體在傳送帶上將先加速後勻速直至從上端離開。

v帶≥時,物體在傳送帶上將一直加速直至從上端離開。

2、 v0≠ 0,且v0與v帶同向,(如圖5)

1 v0<v帶時,

a、 μ>tgθ,物體剛運動到帶上時,因

v0μ=tgθ時,因v0>v帶,a=0,將以v0勻速。

② v0>v帶時

a、μ>tgθ,物體剛運動到帶上時,因v0>v帶,故物體將做加速度大小為a=gsinθ+μgcosθ的減速運動,假定物體一直做減速運動,則物體離開傳送帶時速度為v=,顯然:

v帶 ≤時,物體將一直減速直至離開傳送帶上端。

v0>v帶>時,物體將先做減速運動後做勻速運動直至離開傳送帶上端。

b、μ<tgθ ,物體剛運動到帶上時,因v0>v帶,故物體將做加速度大小為a=gsinθ+μgcosθ的減速運動。假定物體一直做減速運動,則物體離開傳送帶上端時速度為v=,顯然:

v帶 ≤時,物體將一直減速直至離開傳送帶上端。

v0>v帶>時,,物體運動較為複雜。物體剛開始滑上傳送帶時,因物體速度大於v帶,故物體做a=gsinθ+μgcosθ的減速運動,當物體速度減小到等於v帶時,由於繼續減速其速度將小於v帶,此後加速大小變為a=gsinθ-μgcosθ,但是只要其滑上傳送帶的初速度v0>,就一定能從傳送帶的上端滑出。

若v0<,則物體有下列兩種可能的運動情形。一是先向上做大小為a=gsinθ+μgcosθ的減速運動,後向上做大小為a=gsinθ-μgcosθ的減速運動,直至離開傳送帶上端。另一種情形是先向上做大小為a=gsinθ+μgcosθ的減速運動,再向上做大小為a=gsinθ-μgcosθ的減速運動,最後向下做為a=gsinθ-μgcosθ的加速運動直至從下端傳送帶離開。

3、v0≠ 0,且v0與v帶反向

物體剛運動到傳送帶下端時,物體將做加

速度大小為a=gsinθ+μgcosθ的減速運動,

假定物體一直減速,則其離開上端時速度大

小為v=,

顯然:當v≥0 ,即v≥時,不論μ為何值,物體將一直減速直至離開傳送帶上端

當v<0,即v<時,則在μ ≥tgθ時,物體將先向上減速後向下勻速直至從下端離開;在μ<tgθ時,物體將先向上以a=gsinθ+μgcosθ做減速運動,後向下做a=gsinθ-μgcosθ的加速運動直至離開傳送帶下端。

上面我們依據牛頓運動定律對物體在傳送帶上的運動特徵進行了分析,當然我們在分析時還可加入能量觀點,但是只要運動和力的關係清楚了,能量方面的問題也就不攻自破了,同時也限於篇幅,本文在這裡不再贅述。

四、真題精析

例題:(06年全國i)一水平的淺色長傳送帶上放置一煤塊(可視為質點),煤塊與傳送帶之間的動摩擦因數為。初始時,傳送帶與煤塊都是靜止的。

現讓傳送帶以恆定的加速度a0開始運動,當其速度達到v0後,便以此速度做勻速運動。經過一段時間,煤塊在傳送帶上留下了一段黑色痕跡後,煤塊相對於傳送帶不再滑動。求此黑色痕跡的長度。

【審題】本題難度較大,傳送帶開始階段也做勻加速運動了,後來又改為勻速,物體的運動情況則受傳送帶的運動情況制約,由題意可知,只有μg<a0才能相對傳送帶滑動,否則物體將與傳送帶一直相對靜止。因此該題的重點應在對物體相對運動的情景分析、相對位移的求解上,需要較高的分析綜合能力。

【解析】

方法一:

根據「傳送帶上有黑色痕跡」可知,煤塊與傳送帶之間發生了相對滑動,煤塊的加速度a小於傳送帶的加速度a0。根據牛頓運動定律,可得

設經歷時間t,傳送帶由靜止開始加速到速度等於v0,煤塊則由靜止加速到v,有

由於a此後,煤塊與傳送帶運動速度相同,相對於傳送帶不再滑動,不再產生新的痕跡。

設在煤塊的速度從0增加到v0的整個過程中,傳送帶和煤塊移動的距離分別為s0和s,有

傳送帶上留下的黑色痕跡的長度

由以上各式得

【小結】本方法的思路是整體分析兩物體的運動情況,分別對兩個物體的全過程求位移。

方法二:

第一階段:傳送帶由靜止開始加速到速度v0,設經歷時間為t,煤塊加速到v,有:v

v傳送帶和煤塊的位移分別為s1和s2,

第二階段:煤塊繼續加速到v0,設經歷時間為,有

v傳送帶和煤塊的位移分別為s3和s4 ,有

傳送帶上留下的黑色痕跡的長度

由以上各式得

【小結】本方法的思路是分兩段分析兩物體的運動情況,分別對兩個物體的兩個階段求位移,最後再找相對位移關係。

方法三:

傳送帶加速到v0 ,有

傳送帶相對煤塊的速度

傳送帶加速過程中,傳送帶相對煤塊的位移【相對初速度為零,相對加速度是】

傳送帶勻速過程中,傳送帶相對煤塊的位移【相對初速度為t,相對加速度是】

整個過程中傳送帶相對煤塊的位移即痕跡長度

由以上各式得

【小結】本方法的思路是用相對速度和相對加速度求解。關鍵是先選定好過程,然後對過程進行分析,找準相對初末速度、相對加速度。

方法四:用圖象法求解

畫出發送帶和煤塊的v—t圖象,如圖2—6所示。

其中,,

黑色痕跡的長度即為陰影部分三角形的面積,有:

【小結】本方法的思路是運用在速度—時間圖象中,

圖線與其所對應的時間軸所包圍圖形的面積可以用來表示該段時間內的位移這個知識點,來進行求解,本方法不是基本方法,不易想到,但若能將它理解透,做到融會貫通,在解決相應問題時,就可以多一種方法。

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