Question

如圖所示，長L=34.5m的水平傳送帶以大小為υ=3m/s的速度沿逆時針方向運動，將一質量為M=2kg的小木盒B輕輕放在傳送帶右端，B與傳送帶之間的動摩擦因數μ=0.3，在木盒放上傳送帶的同時，有一個光滑的質量為m=1kg的小球A自傳送帶的左端以υ=15m/s的速度在傳送帶上向右運動．球與木盒相遇時，木盒與傳送帶已相對靜止，相遇后球立即進入盒中與盒保持相對靜止．（取g=10m/s²）求：
（1）球與木盒相遇后瞬間，兩者共同運動的速度；
（2）小木盒從傳送帶右端到左端的時間；
（3）小木盒從傳送帶右端到左端的過程中因木盒與傳送帶間的摩擦而產生的熱量．

Answer 1

【答案】分析：（1）小球是光滑的，在傳送帶不受摩擦力，做勻速運動．球與木盒相遇時，木盒與傳送帶已相對靜止，木盒的速度等于傳送帶的速度，根據碰撞過程動量守恒，求出相遇后瞬間兩者共同運動的速度；
（2）分析小木盒的運動過程，分段求時間．小木盒B放在傳送帶右端后在滑動摩擦力作用下先向左加速運動，后做勻速運動．根據牛頓定律和位移關系求出小木盒加速運動和勻速運動到兩物相遇的時間．相遇后先向右做勻減速運動，再向左做勻加速運動，最后與傳送帶一起做勻速運動，由牛頓定律和運動學結合求解時間．再求出總時間．
（3）木盒與傳送帶間的摩擦產生的熱量等于滑動摩擦力大小與兩者相對滑動距離的乘積，分別求出各個過程中兩者相對滑動的距離，求出因摩擦而產生的熱量，再求解總熱量．
解答：解：（1）選向右的方向為正方向，則在相遇前瞬間，小木盒B的速度為v_B=v=3m/s．設相遇后兩者共同的速度為v′，由動量守恒得到：
    mv-Mv_B=（m+M）v′
解得：v′=3m/s，方向向右．
（2）小木盒B放在傳送帶右端后在滑動摩擦力作用下先向左加速運動，滑動摩擦力f₁=μMg=6N，加速度a，經過，小木盒在傳送帶上做勻速運動．
小球向右勻速運動，設經過時間t二者相遇，則有
vt++v（t-t₁）=L  
解得：t=2s
小木盒在傳送帶加速運動的位移s₁==1.5m
勻速運動的時間t₂=t-t₁=1s，位移s₂=vt₂=3m
相遇后先向右做勻減速運動，所受滑動摩擦力：f₂=μ（m+M）g=9N，加速度為：a₂==μg=3m/s²，向右減速運動的時間：
t₃=
再向左做加速運動，加速運動的時間：
t₄==
最后與傳送帶一起勻速運動，勻速運動時間為：
t₅=
所以小木盒從傳送帶右端到左端的時間為t=t₁+t₂+t₃+t₄+t₅=14s
（3）①小木盒在t1時間內相對傳送帶滑動距離為：x₁=vt₁-s₁=1.5m
產生熱量：Q₁=f₁x₁=μMgx₁=9J
②向右減速運動相對地向右位移x==1.5m
相對傳動帶滑動距離為：x₂=vt₃+x=4.5m
產生熱量：Q₂=f₂x₂=μ（m+M）gx₂=40.5J
③向左加速運動的位移：=1.5m
相對傳送帶滑動距離為：=1.5m
產生熱量：Q₃=f₂x₃=μ（m+M）gx₃=13.5J
所以因木盒與傳送帶間的摩擦而產生的熱量：Q=Q₁+Q₂+Q₃=63J
答：（1）球與木盒相遇后瞬間，兩者共同運動的速度為3m/s，方向向右．
（2）小木盒從傳送帶右端到左端的時間為14s；
（3）小木盒從傳送帶右端到左端的過程中因木盒與傳送帶間的摩擦而產生的熱量為63J．
點評：本題中物理過程比較復雜，基本方法不變，還是分析物體的受力情況和運動情況．摩擦生熱等于滑動摩擦力大小與物體間相對滑動距離的乘積．考驗考生的細心和耐心．