Question

如圖所示為火車(chē)站裝載貨物的原理示意圖，設(shè)AB段是距水平傳送帶裝置高為H=5m的光滑斜面，水平段BC使用水平傳送帶裝置，BC長(zhǎng)L=8m，與貨物包的摩擦系數(shù)為μ=0.6，皮帶輪的半徑為R=0.2m，上部距車(chē)廂底水平面的高度h=0.45m．設(shè)貨物由靜止開(kāi)始從A點(diǎn)下滑，經(jīng)過(guò)B點(diǎn)的拐角處無(wú)機(jī)械能損失．通過(guò)調(diào)整皮帶輪（不打滑）的轉(zhuǎn)動(dòng)角速度ω可使貨物經(jīng)C點(diǎn)拋出后落在車(chē)廂上的不同位置，取g=10m/s²，求：
（1）當(dāng)皮帶輪靜止時(shí)，貨物包在車(chē)廂內(nèi)的落地點(diǎn)到C點(diǎn)的水平距離；
（2）當(dāng)皮帶輪以角速度ω=20rad/s順時(shí)方針?lè)较騽蛩俎D(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，包在車(chē)廂內(nèi)的落地點(diǎn)到C點(diǎn)的水平距離；
（3）試寫(xiě)出貨物包在車(chē)廂內(nèi)的落地點(diǎn)到C點(diǎn)的水平距離S隨皮帶輪角速度ω變化關(guān)系，并畫(huà)出S-ω圖象．（設(shè)皮帶輪順時(shí)方針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，角速度ω取正值，水平距離向右取正值）．

Answer 1

分析：由機(jī)械能守恒定律研究A點(diǎn)到B點(diǎn)求出在B點(diǎn)的速度．
貨物從B到C做勻減速運(yùn)動(dòng)，根據(jù)牛頓第二定律和運(yùn)動(dòng)學(xué)公式求解落地點(diǎn)到C點(diǎn)的水平距離．
當(dāng)皮帶輪勻速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，分析物體的受力和運(yùn)動(dòng)情況，進(jìn)行求解．
找出落地點(diǎn)到C點(diǎn)的水平距離S隨皮帶輪角速度ω變化關(guān)系式，根據(jù)數(shù)學(xué)函數(shù)畫(huà)出物理圖象．

解答：解：由機(jī)械能守恒定律可得：

1

2

m

v

2 0

=mgH，所以貨物在B點(diǎn)的速度為V₀=10m/s
（1）貨物從B到C做勻減速運(yùn)動(dòng)，
加速度a=

μmg

m

=6m/s²
設(shè)到達(dá)C點(diǎn)速度為V_C，則：
v₀2-v_C2=2aL，
所以：V_C=2 m/s
落地點(diǎn)到C點(diǎn)的水平距離：S=V_C

2h g

=0.6m
（2）皮帶速度    V_皮=ω?R=4 m/s，
同（1）的論證可知：貨物先減速后勻速，從C點(diǎn)拋出的速度為V_C′=4 m/s，
落地點(diǎn)到C點(diǎn)的水平距離：S′=V_C′

2h g

=1.2m
（3）①皮帶輪逆時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)：
無(wú)論角速度為多大，貨物從B到C均做勻減速運(yùn)動(dòng)：在C點(diǎn)的速度為V_C=2m/s，落地點(diǎn)到C點(diǎn)的水平距離S=0.6m
②皮帶輪順時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)時(shí)：
Ⅰ、0≤ω≤10 rad/s時(shí)，S=0.6m
Ⅱ、10＜ω＜50 rad/s時(shí)，S=ω?R

2h g

=0.06ω
Ⅲ、50＜ω＜70 rad/s時(shí)，S=ω?R

2h g

=0.06ω
Ⅳ、ω≥70 rad/s時(shí)，S=V_C

2h g

=4.2m
S-ω圖象如圖
答：（1）當(dāng)皮帶輪靜止時(shí)，貨物包在車(chē)廂內(nèi)的落地點(diǎn)到C點(diǎn)的水平距離是0.6m；
（2）當(dāng)皮帶輪以角速度ω=20rad/s順時(shí)方針?lè)较騽蛩俎D(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，包在車(chē)廂內(nèi)的落地點(diǎn)到C點(diǎn)的水平距離1.2m；
（3）如上圖

點(diǎn)評(píng)：本題考查多個(gè)知識(shí)點(diǎn)，清楚物體的受力和運(yùn)動(dòng)情況，根據(jù)運(yùn)動(dòng)情況選擇相應(yīng)的物理規(guī)律求解．