Question

（2007?崇文區(qū)二模）如圖是建筑工地上常用的一種“深穴打夯機(jī)”示意圖，電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)兩個(gè)滾輪勻速轉(zhuǎn)動(dòng)將夯桿從深坑提上來，當(dāng)夯桿底端剛到達(dá)坑口時(shí)，兩個(gè)滾輪彼此分開，將夯桿釋放，夯桿在自身重力作用下，落回深坑，夯實(shí)坑底．然后兩個(gè)滾輪再次壓緊，夯桿被提上來，如此周而復(fù)始（夯桿被滾輪提升過程中，經(jīng)歷勻加速和勻速運(yùn)動(dòng)過程）．已知兩個(gè)滾輪邊緣的線速度恒為v=4m/s，滾輪對(duì)夯桿的正壓力F_N=2×10⁴N，滾輪與夯桿間的動(dòng)摩擦因數(shù)μ=0.3，夯桿質(zhì)量m=1×10³kg，坑深h=6.4m，假定在打夯的過程中坑的深度變化不大，取g=10m/s²．求：
（1）夯桿被滾輪帶動(dòng)加速上升的過程中，加速度的大��；并在給出的坐標(biāo)圖中定性畫出夯桿在一個(gè)打夯周期內(nèi)速度v隨時(shí)間t變化的圖象；
（2）每個(gè)打夯周期中，電動(dòng)機(jī)對(duì)夯桿做的功；
（3）每個(gè)打夯周期中滾輪與夯桿間因摩擦產(chǎn)生的熱量．

Answer 1

分析：（1）夯桿底端剛到達(dá)坑口的運(yùn)動(dòng)過程中，先做勻加速直線運(yùn)動(dòng)，當(dāng)速度達(dá)到滾輪的線速度時(shí)，做勻速直線運(yùn)動(dòng)，到達(dá)坑口后，做豎直上拋運(yùn)動(dòng)；根據(jù)牛頓第二定律求解加速度，根據(jù)運(yùn)動(dòng)學(xué)公式求解速度；
（2）夯桿先受到滑動(dòng)摩擦力，然后受靜摩擦力，電動(dòng)機(jī)對(duì)夯桿所做的功等于摩擦力做的功；
（3）求出在每個(gè)周期內(nèi)滾輪與夯桿間的相對(duì)位移，從而根據(jù)Q=fs_相對(duì)求出因摩擦產(chǎn)生的熱量．

解答：解：（1）夯桿加速上升階段：
加速度  a=

2μFN-mg

m

解得a=2m/s²  
夯桿在一個(gè)運(yùn)動(dòng)周期內(nèi)v-t圖象如圖所示；

（2）夯桿加速上升的高度 h1=

v2

2a

在加速上升階段，電動(dòng)機(jī)對(duì)夯桿做的功   W₁=2μF_Nh₁=4.8×10⁴J 
夯桿勻速上升階段上升高度   h₂=h-h₁=2.4m  
電動(dòng)機(jī)對(duì)夯桿做的功   W₂=mgh₂=2.4×10⁴J  
每個(gè)打夯周期中，電動(dòng)機(jī)對(duì)夯桿所做的功  W=W₁+W₂=7.2×10⁴J 
（3）夯桿加速上升的時(shí)間 t1=

v

a

=2s
滾輪邊緣轉(zhuǎn)過的距離是 s=vt₁=8m  
相對(duì)夯桿的位移是  L=8m-4m=4m   
摩擦產(chǎn)生的熱量  Q=2μF_NL       
Q=4.8×10⁴J  
答：（1）如圖所示；
（2）每個(gè)打夯周期中，電動(dòng)機(jī)對(duì)夯桿做的功為7.2×10⁴J；
（3）每個(gè)打夯周期中滾輪與夯桿間因摩擦產(chǎn)生的熱量為4.8×10⁴J．

點(diǎn)評(píng)：解決本題的關(guān)鍵理清夯桿的運(yùn)動(dòng)過程，知道夯桿在一個(gè)周期內(nèi)先做勻加速上升，再做勻速上升，最后勻減速上升到零，做自由落體到坑底．