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【动摩擦因数可以大于1吗】高中物理入门之八:滑板与传送带专题

设A的质量为2m,B的质量为m,分离时的加速度为,则

对A:

对B:,

联立解得 t=4s

[例2]如图所示,物体B静止在台秤的秤盘A上,A的质量=1.5kg,B的质量=10.5kg,弹簧的质量可忽略不计,弹簧的进度系数k=800N/m。现给物体B施加一个竖直向上的变力F,使它向上做匀加速直线运动。已知t=0.2s时A与B分离。求F在0.2s 内的最大值和最小值。

解析:首先明确临界条件:

共速、共加速度、相互间作用力为0。

弹簧开始时处于压缩状态,

设压缩长度为,则有

k·=()g

设分离时弹簧压缩长度为,加速度为,则

=

k· – g =

联立以上三式可得=6

显然,当x压缩最大时,F有最小值

=()=72N

物体B在分离瞬间,F有最大值

=()=168N。

2.滑板问题

滑板问题指的是物块在滑板上的运动问题,其核心是对摩擦力的理解和分析,注意当物块与滑板共速时是摩擦力的突变点,往往根据摩擦力的突变情况将运动过程划分为不同阶段进行分析。

[例3]一长木板置于粗糙水平地面上,木板左端放置一小物块;在木板右方有一墙壁,木板右端与墙壁的距离为4.5m,如图所示。t=0时刻开始,小物块与木板一起以共同速度向右运动,直至t=1s时木板与墙壁碰撞(碰撞时间极短)。碰撞前后木板速度大小不变,方向相反;运动过程中小物块始终未离开木板。已知碰撞后1s时间内小物块的v-t图线如图所示。木板的质量是小物块质量的15倍,重力加速度大小g取10.求:

⑴木板与地面间的动摩擦因素及小物块与木板间的动摩擦因数;

⑵木板的最小长度;

⑶木板右端离墙壁的最终距离。

解析:将运动分为以下几个过程进行分析:

⑴过程一:小物块与木板共同向右做匀减速运动直到木板右端撞墙。

已知位移s=4.5m,运动时间=1s,设加速度为,由图可知末速度=4m/s,则有

s=t+ (可视为反向的匀加速运动)

解得=1

此时木板与地面间为滑动摩擦力,有

,即

过程二:木板反向后向左以初速度4m/s做匀减速运动,小物块继续向右做匀减速运动,速度减为0后再向左做匀加速运动,直到和木板共速,整个过程小物块的加速度不变。

由图可知,小物块的速度在t=1s时间内,由减到0,设其加速度为,则有

,即

而,即

⑵当物块与木板共速前,木板的速度大于物块的速度,两者之间为滑动摩擦力,随着物块加速、木板减速,直到物块与木板共速时,摩擦力瞬时转为0,然后木板继续减速,木板与物块之间转为静摩擦力。

求木板最小长度即为求共速前物块与木板的相对位移。

在过程二中,木板受到地面和物块两个滑动摩擦力的阻碍,设加速度为,则

15m=(15m+m)g+ mg

解得

从木板反向起到物块与木板共速的时间为,则

解得

小物块的位移==1.5 m

木板的位移= =4.5 m

所以木板的长度至少为L==6m

⑶过程三:木板和小物块共同做匀减速运动,直至停止,此时二者的加速度大小和过程一相等,等于,设此段的位移,

初速度

由得

木板右端距离墙壁的距离

L'==6.5m.

3.传送带问题

传送带问题指的是物块在传送带上的运动问题,由于物块的速度与传送带的速度不同,就会产生相对运动,根据传送带的方向分为水平传送带和倾斜传送带两种,其核心都是相对运动的变化导致摩擦力的变化分析。

⑴水平传送带:设物块初速度为,传送带速度为

①时,滑动摩擦力为动力,物块做匀加速运动,直到时,滑动摩擦力突变为0,物块做匀速运动;

②时,滑动摩擦力为阻力,物块做匀减速运动,直到时,滑动摩擦力突变为0,物块做匀速运动;

⑵倾斜传送带:设物块初速度为,传送带向上运动速度为

①、gsinθ>μgcosθ时,物块做匀减速运动;

②、gsinθ<μgcosθ时,滑动摩擦力做动力,物块做匀加速运动,直到时,滑动摩擦力突变为静摩擦力,物块做匀速运动;

③、gsinθ>μgcosθ时,滑动摩擦力做阻力,物块做匀减速运动,直到时,滑动摩擦力突变反向,物块向下做匀加速运动;

④、gsinθ<μgcosθ时,滑动摩擦力做阻力,物块做匀减速运动,直到时,滑动摩擦力突变为静摩擦力,物块做匀速运动;

[例4] 图示为仓库中常用的皮带传输装置示意图,它由两台皮带传送机组成,一台水平传送,A、B两端相距=3m;另一台倾斜,传送带与地面的倾角θ= ,C、D两端相距=4.45m,B、C相距很近。水平部分AB以=5m/s的速率顺时针转动。将质量m=10kg的一袋大米放在A端,到达B端后,速度大小不变地传到倾斜的CD部分,米袋与传送带间的动摩擦因数均为μ=0.5。试求:

⑴若CD部分传送带不运转,米袋沿传送带所能上升的最大距离;

⑵若要求米袋能被送到D端,求CD部分顺时针运转的速度应满足的条件及米袋从C到D所用时间的取值范围。

解析:⑴需要知道米袋到达B点时的速度

米袋在AB段的加速度

由可知

当s=2.5m时,速度达到,所以到达B点时,速度已达,

米袋在CD段上升时的加速度

设上升的最大距离为,则有

解得

⑵因为,即摩擦力不足以克服重力的下滑分量,意味着当米袋与传送带共速后,米袋将做加速度向下的匀变速运动。

设传送带的速度为,米袋的加速度与米袋的速度和的大小关系有关

当时,加速度=gsinθ+μgcosθ=10

当时,加速度= gsinθ-μgcosθ=2

设时的位移为,则有

设时的位移为,则有

米袋刚好可以达到D点时,有

联立以上三式,可解得=4m/s,即传送带CD的速度应满足大于等于4m/s。

当传送带取临界速度4m/s时,运动时间有最大值

==2.1s

当传送带的速度时,米袋的加速度始终为,此时运动时间有最小值,

=

解得 =

[例5]将一个粉笔头轻放在以=2m/s的恒定速度运动的水平传送带上后,传送带上留下一条长为=4m的画线。若使该传送带改做匀减速运动,加速度大小为a=1.5,并且在传送带开始做匀减速运动的同时,将另一个粉笔头轻放在传送带上,问该粉笔能在传送带上留下一条多长的画线?

解析:首先明确在水平定速传送带上,共速前有滑动摩擦力,共速后无摩擦力。

前半段题目信息表明粉笔头从0加速到2m/s时,与传送带的相对位移为4m。

设粉笔与传送带之间的动摩擦因数μ,用两种方法分别求解:

方法一、设粉笔头的加速度为,则有

,得

而,所以.

传送带做匀减速运动时,滑动摩擦力先做动力,粉笔头做匀加速运动,设运动的时间为,然后达到共速,此时有

,得

粉笔头位移=

传送带位移

粉笔头与传送带的相对位移= =1m,

共速时的速度 =0.5m/s,此后传送带继续减速,经后停止,粉笔头也减速,经后停止,

粉笔头位移

传送带位移

粉笔头与传送带的相对位移= =m

负号表示粉笔头相对传送带向相反方向运动,所以粉笔能在传送带上留下画线的长度为1m,但停留在画线的长度处。

方法二、图像法,画出传送带定速时粉笔头和传送带的ν-t图,如图所示,显然,阴影部分的面积代表画线的长度,容易得出粉笔头的加速时间为t=4s,得出

传送带匀减速时的ν-t图所示,

由图中可见,在t=1s时,粉笔头和传送带共速,此时阴影面积即为二者的相对位移差,=1m,

在共速后,传送带在t= s时停止,粉笔在t=2s时停止,阴影面积即为二者的相对位移差,x1=- m。

两种方法,可仔细体会一下。

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