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4.1 传送带模型

牛顿运动定律应用:连接体与临界问题 · 高三
先确认一下:这一关能不能学
上面这几节是它的地基 —— 没通的话,补完再回来,比硬啃快得多。
讲清楚它是什么

定义 物体在运动传送带上,因相对运动或相对运动趋势产生摩擦力,导致运动状态改变的力学模型。

从哪来 本知识点建立在 2.1 受力分析 和 2.3 动力学问题 之上,并需运用 1.1 三大观点统领力学 中的运动学观点进行过程分析。

为什么 传送带模型的核心在于相对运动决定摩擦力方向。 1. 静摩擦力驱动:当物体初速度与传送带速度不同,或传送带加速时,若二者有相对滑动趋势,静摩擦力充当动力或阻力,使物体加速或减速。 2. 滑动摩擦力恒定:一旦发生相对滑动,摩擦力大小 $f = \mu mg$ 恒定,方向始终阻碍相对运动(注意:是阻碍“相对”运动,而非阻碍“绝对”运动)。 3. 共速临界点:当物体速度达到传送带速度时,若二者能保持相对静止(即所需静摩擦力不超过最大静摩擦力),则物体随传送带匀速运动;否则继续滑动。这一“共速”时刻是分段分析的节点。

“追及相遇”类比法** **适合学生
对相对运动概念模糊、习惯用运动学公式解题的学生。 讲解逻辑: 将传送带看作一个“速度恒定”的参照系或“追赶者”。 1. 先判断物体初速度 $v_0$ 与传送带速度 $v$ 的关系。 2. 若 $v_0 < v$,物体被“追赶”,摩擦力向前,物体做匀加速。 3. 计算物体加速到 $v$ 所需时间 $t_1$ 和位移 $x_1$。 4. 比较 $x_1$ 与传送带长度 $L$: - 若 $x_1 < L$:物体先加速后匀速,总时间 $t = t_1 + \frac{L-x_1}{v}$。 - 若 $x_1 \ge L$:物体全程加速,直接由 $L = v_0 t + \frac{1}{2}at^2$ 求 $t$。 核心口诀:先算共速位移,再比板长定过程。
“v-t 图像”直观法** **适合学生
空间想象力强、喜欢图形化思维、易在文字描述中迷失的学生。 讲解逻辑: 1. 画出 $v-t$ 图,横轴为时间,纵轴为速度。 2. 画一条水平直线代表传送带速度 $v$。 3. 从 $v_0$ 出发画一条斜率为 $a = \mu g$ 的直线代表物体速度。 4. 交点即为共速时刻 $t_1$。 5. 面积即为位移。 - 物体位移 = 梯形/三角形面积。 - 传送带位移 = 矩形面积 ($v \cdot t$)。 - 相对位移(划痕长度)= 两图线围成的面积。 6. 若交点在时间轴末端之前,说明中途共速;若交点在末端之后,说明全程未共速。 优势:一眼看出谁快谁慢,相对位移一目了然,避免复杂的代数运算。
“能量守恒+功能关系”法** **适合学生
力学基础扎实、擅长使用功能关系、需要解决复杂系统能量问题的学生。 讲解逻辑: 1. 系统能量守恒:电动机多做的功 $W_{电}$ = 物体动能增量 $\Delta E_k$ + 系统内能增量 $Q$(摩擦生热)。 2. 摩擦生热公式:$Q = f \cdot \Delta x_{相对}$。 - 注意:$\Delta x_{相对}$ 是物体与传送带间的相对路程,不是物体对地位移。 3. 应用步骤: - 先判断是否共速。 - 若共速:$W_{电} = \frac{1}{2}mv^2 + \mu mg \cdot \Delta x_{相对}$。 - 若未共速:$W_{电} = \frac{1}{2}mv_{末}^2 + \mu mg \cdot \Delta x_{相对}$。 4. 关键点:此法不直接求时间,而是求能量或热量,适合题目问“电动机做功”或“产生热量”的情况。
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练一道
基础题
水平传送带长 $L=8\text{m}$,以 $v=2\text{m/s}$ 的速度顺时针转动。一质量 $m=1\text{kg}$ 的物体以 $v_0=0$ 轻放在左端,物体与传送带间动摩擦因数 $\mu=0.25$,取 $g=10\text{m/s}^2$。求物体从左端运动到右端所需时间。
变式
同上条件,但传送带长度 $L'=0.5\text{m}$。求物体从左端运动到右端所需时间,以及此过程中摩擦产生的热量 $Q$。
试试手自己判
检测题
水平传送带长 $L=4\text{m}$,速度 $v=4\text{m/s}$ 顺时针转动。一物体以 $v_0=2\text{m/s}$ 从左端滑上传送带,$\mu=0.2$,$g=10\text{m/s}^2$。 (1) 求物体从左端到右端的时间。 (2) 求此过程中物体在传送带上留下的划痕长度。
看答案和判分标准
答案:(1) $1.5\text{s}$ (2) $1\text{m}$
判对标准:
1. 时间计算:
- 正确判断出物体先加速后匀速($a=2\text{m/s}^2$,加速位移 $x_1 = \frac{4^2-2^2}{2\times2} = 3\text{m} < 4\text{m}$)。
- 加速时间 $t_1 = \frac{4-2}{2} = 1\text{s}$。
- 匀速位移 $x_2 = 1\text{m}$,时间 $t_2 = 0.25\text{s}$。
- 总时间 $t = 1.25\text{s}$? 等等,让我重新算一下。
- $v_0=2, v=4, a=2$。
- $t_1 = (4-2)/2 = 1\text{s}$。
- $x_1 = 2\times1 + 0.5\times2\times1^2 = 3\text{m}$。
- $L=4\text{m}$,所以 $x_2 = 1\text{m}$。
- $t_2 = 1/4 = 0.25\text{s}$。
- 总时间 $t = 1.25\text{s}$。
- *修正答案*:(1) $1.25\text{s}$。

2. 划痕长度:
- 划痕长度 = 相对位移 $\Delta x$。
- 在加速阶段 $t_1=1\text{s}$ 内:
- 物体位移 $x_{物} = 3\text{m}$。
- 传送带位移 $x_{带} = v \cdot t_1 = 4 \times 1 = 4\text{m}$。
- 相对位移 $\Delta x = 4 - 3 = 1\text{m}$。
- 在匀速阶段,相对静止,无新划痕。
- 总划痕长度 $1\text{m}$。
- *修正答案*:(2) $1\text{m}$。

最终判对标准:
- 第一问答案为 $1.25\text{s}$,且过程包含“先加速后匀速”的判断及分段计算。
- 第二问答案为 $1\text{m}$,且明确指出划痕长度等于加速阶段的相对位移。
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