Question

風(fēng)能是一種環(huán)保型的可再生能源．據(jù)勘測，廈門沿海蘊(yùn)藏大量的風(fēng)能，具有很大的開發(fā)前景．設(shè)某一小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)輸出U=250V穩(wěn)定的直流電壓，它只給如圖所示的皮帶傳送裝置的電動(dòng)機(jī)（電動(dòng)機(jī)未畫出）供電．已知電動(dòng)機(jī)的額定電壓U_額=250V，額定功率P_m=500W，線圈電阻R=5.0Ω．傳送帶兩端A、B之間距離s=10m，高度差h=4.0m．在運(yùn)送貨箱的過程中，傳送帶的運(yùn)行速度始終保持v₂=1.0m/s不變．不計(jì)輸電導(dǎo)線的電阻和皮帶傳送裝置各部分的摩擦損耗．重力加速度g取10m/s²．求
（1）電動(dòng)機(jī)正常工作時(shí)，電動(dòng)機(jī)的自身消耗的功率和機(jī)械功率；
（2）如果將一貨箱（可視為質(zhì)點(diǎn)）以1.0m/s方向沿傳送帶向上的速度放到傳送帶上A處（放上后立即保持相對靜止），那么貨箱的質(zhì)量不得超過多少．
（3）如果將一貨箱（可視為質(zhì)點(diǎn)）無初速地放到傳送帶上A處，經(jīng)t=1.0s后貨箱與傳送帶保持相對靜止，當(dāng)貨箱被運(yùn)送至B處離開傳送帶時(shí)再將另一個(gè)相同的貨箱以相同的方式放到A處，如此反復(fù)，總保持傳送帶上有且僅有一個(gè)貨箱．貨箱的質(zhì)量不得超過多少．

Answer 1

【答案】分析：（1）根據(jù)電動(dòng)機(jī)的額定功率與額定電壓，求出正常工作時(shí)的電流．電動(dòng)機(jī)的自身消耗的功率P_R=I²R，機(jī)械功率為P_機(jī)械=P_m-I²R．
（2）根據(jù)能的轉(zhuǎn)化和守恒定律：電動(dòng)機(jī)的機(jī)械功率等于克服貨箱的重力做功的功率，列式，求出貨箱的質(zhì)量．
（3）貨箱在傳送帶上加速運(yùn)動(dòng)時(shí)，帶動(dòng)傳送帶運(yùn)行的電動(dòng)機(jī)需要消耗較大的電功率，所以在貨箱加速過程中電動(dòng)機(jī)如果不超過其允許消耗的最大功率，勻速運(yùn)行過程中就不會(huì)超過其允許消耗的最大電功率．分析貨箱的運(yùn)動(dòng)情況，由運(yùn)動(dòng)學(xué)公式求出貨箱勻加速直線運(yùn)動(dòng)的位移和上升的高度，即可求出貨箱增加的機(jī)械能和內(nèi)能，而貨箱增加的機(jī)械能和系統(tǒng)增加的內(nèi)能之和應(yīng)小于等于P_機(jī)械t，列式，可求出貨箱質(zhì)量的最大值．
解答：解：（1）設(shè)電動(dòng)機(jī)正常工作時(shí)流過它的電流為I，此時(shí)電動(dòng)機(jī)自身消耗的功率為P_R，輸出功率為P_機(jī)械
則  I==A=2.0A              
  P_R=I²R=20W            
  P_機(jī)械=P_m-I²R=480W        
（2）根據(jù)能的轉(zhuǎn)化和守恒定律有：
  mgv_y=P_機(jī)械
由幾何關(guān)系可得  v_y=0.4m/s           
解得  m=120kg              
（3）貨箱在傳送帶上加速運(yùn)動(dòng)時(shí)，帶動(dòng)傳送帶運(yùn)行的電動(dòng)機(jī)需要消耗較大的電功率，所以在貨箱加速過程中電動(dòng)機(jī)如果不超過其允許消耗的最大功率，勻速運(yùn)行過程中就不會(huì)超過其允許消耗的最大電功率．        
設(shè)貨箱在恒力作用下做勻加速直線運(yùn)動(dòng)的位移為s_x，上升的高度為h_x．
根據(jù)勻加速運(yùn)動(dòng)公式
  s_x=v₂t=0.50m，
根據(jù)幾何關(guān)系解得
  h_x=0.20m             
設(shè)貨箱質(zhì)量為m，貨箱被加速的過程中其機(jī)械能增加量為E，
  E=E_p+E_k=mgh_x+mv₂²
設(shè)貨箱與傳送帶之間的摩擦力為f，對于貨箱在傳送帶上被加速的過程，根據(jù)動(dòng)能定理有
  fs_x-mgh_x=mv₂²             
在貨箱加速運(yùn)動(dòng)過程中，傳送帶的位移s_帶=v₂t=1.0m，所以貨箱與傳送帶之間的相對位移△s=s_帶-s_x=0.50m，
根據(jù)功能關(guān)系  Q=f?△s               
聯(lián)立解得  Q=△s              
為使電動(dòng)機(jī)工作過程中不超過允許的最大值，應(yīng)有E_p+E_k+Q小于等于P_機(jī)械t，即
  mgh_x+mv₂²+△s≤P_機(jī)械t    
解得  m=≤96kg，即貨箱質(zhì)量不得大于96kg   
答：
（1）電動(dòng)機(jī)正常工作時(shí)，電動(dòng)機(jī)的自身消耗的功率為20W，機(jī)械功率為480W；
（2）如果將一貨箱（可視為質(zhì)點(diǎn)）以1.0m/s方向沿傳送帶向上的速度放到傳送帶上A處（放上后立即保持相對靜止），那么貨箱的質(zhì)量不得超過120kg．
（3）貨箱的質(zhì)量不得大于96kg．
點(diǎn)評(píng)：解答本題的關(guān)鍵是分析能量如何轉(zhuǎn)化的，根據(jù)能量守恒定律列式，再結(jié)合電路知識(shí)和運(yùn)動(dòng)學(xué)公式進(jìn)行求解．