Question

如圖所示，長(zhǎng)L=34.5m的水平傳送帶以大小為υ=3m/s的速度沿逆時(shí)針方向運(yùn)動(dòng)，將一質(zhì)量為M=2kg的小木盒B輕輕放在傳送帶右端，B與傳送帶之間的動(dòng)摩擦因數(shù)μ=0.3，在木盒放上傳送帶的同時(shí)，有一個(gè)光滑的質(zhì)量為m=1kg的小球A自傳送帶的左端以υ₀=15m/s的速度在傳送帶上向右運(yùn)動(dòng)．球與木盒相遇時(shí)，木盒與傳送帶已相對(duì)靜止，相遇后球立即進(jìn)入盒中與盒保持相對(duì)靜止．（取g=10m/s²）求：
（1）球與木盒相遇后瞬間，兩者共同運(yùn)動(dòng)的速度；
（2）小木盒從傳送帶右端到左端的時(shí)間；
（3）小木盒從傳送帶右端到左端的過程中因木盒與傳送帶間的摩擦而產(chǎn)生的熱量．

Answer 1

分析：（1）小球是光滑的，在傳送帶不受摩擦力，做勻速運(yùn)動(dòng)．球與木盒相遇時(shí)，木盒與傳送帶已相對(duì)靜止，木盒的速度等于傳送帶的速度，根據(jù)碰撞過程動(dòng)量守恒，求出相遇后瞬間兩者共同運(yùn)動(dòng)的速度；
（2）分析小木盒的運(yùn)動(dòng)過程，分段求時(shí)間．小木盒B放在傳送帶右端后在滑動(dòng)摩擦力作用下先向左加速運(yùn)動(dòng)，后做勻速運(yùn)動(dòng)．根據(jù)牛頓定律和位移關(guān)系求出小木盒加速運(yùn)動(dòng)和勻速運(yùn)動(dòng)到兩物相遇的時(shí)間．相遇后先向右做勻減速運(yùn)動(dòng)，再向左做勻加速運(yùn)動(dòng)，最后與傳送帶一起做勻速運(yùn)動(dòng)，由牛頓定律和運(yùn)動(dòng)學(xué)結(jié)合求解時(shí)間．再求出總時(shí)間．
（3）木盒與傳送帶間的摩擦產(chǎn)生的熱量等于滑動(dòng)摩擦力大小與兩者相對(duì)滑動(dòng)距離的乘積，分別求出各個(gè)過程中兩者相對(duì)滑動(dòng)的距離，求出因摩擦而產(chǎn)生的熱量，再求解總熱量．

解答：解：（1）選向右的方向?yàn)檎�方向，則在相遇前瞬間，小木盒B的速度為v_B=v=3m/s．設(shè)相遇后兩者共同的速度為v′，由動(dòng)量守恒得到：
    mv₀-Mv_B=（m+M）v′
解得：v′=3m/s，方向向右．
（2）小木盒B放在傳送帶右端后在滑動(dòng)摩擦力作用下先向左加速運(yùn)動(dòng)，滑動(dòng)摩擦力f₁=μMg=6N，加速度aa1=

f1

M

=μg=3m/s2，經(jīng)過t1=

v

a

=1s，小木盒在傳送帶上做勻速運(yùn)動(dòng)．
小球向右勻速運(yùn)動(dòng)，設(shè)經(jīng)過時(shí)間t二者相遇，則有
v₀t+

1

2

a1

t

2 1

+v（t-t₁）=L  
解得：t=2s
小木盒在傳送帶加速運(yùn)動(dòng)的位移s₁=

vt1

2

=1.5m
勻速運(yùn)動(dòng)的時(shí)間t₂=t-t₁=1s，位移s₂=vt₂=3m
相遇后先向右做勻減速運(yùn)動(dòng)，所受滑動(dòng)摩擦力：f₂=μ（m+M）g=9N，加速度為：a₂=

f2

m+M

=μg=3m/s²，向右減速運(yùn)動(dòng)的時(shí)間：
t₃=

v′

a2

=1s
再向左做加速運(yùn)動(dòng)，加速運(yùn)動(dòng)的時(shí)間：
t₄=

v′

a2

=

v

a2

=1s
最后與傳送帶一起勻速運(yùn)動(dòng)，勻速運(yùn)動(dòng)時(shí)間為：
t₅=

L-s1-s2

v

=10s
所以小木盒從傳送帶右端到左端的時(shí)間為t=t₁+t₂+t₃+t₄+t₅=14s
（3）①小木盒在t1時(shí)間內(nèi)相對(duì)傳送帶滑動(dòng)距離為：x₁=vt₁-s₁=1.5m
產(chǎn)生熱量：Q₁=f₁x₁=μMgx₁=9J
②向右減速運(yùn)動(dòng)相對(duì)地向右位移x=

v′t3

2

=1.5m
相對(duì)傳動(dòng)帶滑動(dòng)距離為：x₂=vt₃+x=4.5m
產(chǎn)生熱量：Q₂=f₂x₂=μ（m+M）gx₂=40.5J
③向左加速運(yùn)動(dòng)的位移：x′=

v′t4

2

=1.5m
相對(duì)傳送帶滑動(dòng)距離為：x3=vt4-

v′t4

2

=1.5m
產(chǎn)生熱量：Q₃=f₂x₃=μ（m+M）gx₃=13.5J
所以因木盒與傳送帶間的摩擦而產(chǎn)生的熱量：Q=Q₁+Q₂+Q₃=63J
答：（1）球與木盒相遇后瞬間，兩者共同運(yùn)動(dòng)的速度為3m/s，方向向右．
（2）小木盒從傳送帶右端到左端的時(shí)間為14s；
（3）小木盒從傳送帶右端到左端的過程中因木盒與傳送帶間的摩擦而產(chǎn)生的熱量為63J．

點(diǎn)評(píng)：本題中物理過程比較復(fù)雜，基本方法不變，還是分析物體的受力情況和運(yùn)動(dòng)情況．摩擦生熱等于滑動(dòng)摩擦力大小與物體間相對(duì)滑動(dòng)距離的乘積．考驗(yàn)考生的細(xì)心和耐心．