Question

10．如圖所示，水平傳送帶以v=2m/s的速率沿逆時針方向轉(zhuǎn)動，在其左端與一豎直固定的光滑軌道平滑相接，右端與一半徑R=0.4m的光滑半圓軌道相切，一質(zhì)量m=2kg的物塊（可視為質(zhì)點）從光滑軌道上的某點由靜止開始下滑，通過水平傳送帶后從半圓軌道的最高點水平拋出，并恰好落在傳送帶的最左端，已知物塊通過半圓軌道最高點時受到的彈力F=60N，物塊與傳送帶間的動摩擦因數(shù)μ=0.25，取重力加速度g=10m/s²，求：（計算結(jié)果可以保留根號）
（1）物塊作平拋運動的初速度v₀；
（2）物塊開始下滑時距水平傳送帶的高度H；
（3）電動機由于物塊通過傳送帶而多消耗的電能E．

Answer 1

分析 （1）物塊在最高點受到的重力和彈力提供向心力，由牛頓第二定律即可求出物塊的初速度；
（2）物塊從最高點開始做平拋運動，結(jié)合平拋運動的特點求出水平距離，由圖可知，該距離即為傳送帶的長度；然后由功能關(guān)系即可求出物塊開始時的高度；
（3）分析判斷物快在皮帶的運動情況，求出物塊在傳送帶上滑行的時間以及傳送帶的位移；最后利用能量守恒求多提供的能量．

解答 解：（1）物塊在最高點受到的重力和彈力提供向心力，由牛頓第二定律得：
$mg+F=\frac{m{v}_{0}^{2}}{R}$
代入數(shù)據(jù)得：v₀=4m/s
（2）物塊離開最高點后做平拋運動，由：$h=\frac{1}{2}g{t}^{2}$
得運動的時間：$t=\sqrt{\frac{2h}{g}}=\sqrt{\frac{2×2R}{g}}=\sqrt{\frac{2×2×0.4}{10}}=0.4$s
物塊沿水平方向平拋的距離：L=v₀t=4×0.4=1.6m
由題可知，傳送帶的長度也是1.6m
物塊在整個運動的過程中，重力和傳送帶的摩擦力做功，由動能定理得：
$mg（H-2R）-μmgL=\frac{1}{2}m{v}_{0}^{2}$
拉力以上公式，代入數(shù)據(jù)得：H=2m
（3）物塊到達(dá)傳送帶的左端的過程中重力做功，由機械能守恒得：
$mgH=\frac{1}{2}m{v}_{1}^{2}$
得：${v}_{1}=\sqrt{2gH}=\sqrt{2×10×2}=2\sqrt{10}$m/s
物塊在傳送帶上的加速度：a=-$\frac{f}{m}=-\frac{μmg}{m}=-μg=-0.25×10=-2.5m/{s}^{2}$
物塊經(jīng)過傳送帶的時間t′，則：
$L={v}_{1}t′+\frac{1}{2}at{′}^{2}$
該時間內(nèi)傳送帶運動的距離：L′=v₁t′
傳送帶克服摩擦力做的功：W=fL′=μmgL′
根據(jù)能量轉(zhuǎn)化的方向可知，電動機由于物塊通過傳送帶而多消耗的電能E等于傳送帶克服物塊的摩擦力做的功，即：
E=W
聯(lián)立以上各式，代入數(shù)據(jù)得：E≈3J
答：（1）物塊作平拋運動的初速度是4m/s；
（2）物塊開始下滑時距水平傳送帶的高度是2m；
（3）電動機由于物塊通過傳送帶而多消耗的電能是3J．

點評 該題結(jié)合平拋運動和機械能守恒考查傳送帶問題，判斷物快在皮帶上的運動情況是關(guān)鍵，靈活應(yīng)用機械能、平拋運動和能量守恒定律是解題的核心．