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        物體在傳送帶上如何運(yùn)動(dòng)?
        ——構(gòu)建模型 分析動(dòng)因 巧解疑惑

        2020-10-11 06:56:16蔡明棟
        數(shù)理化解題研究 2020年25期
        關(guān)鍵詞:方向物理學(xué)生

        蔡明棟

        (江蘇省江陰市華士高級(jí)中學(xué) 214421)

        高中學(xué)生在學(xué)習(xí)傳送帶問(wèn)題時(shí),感覺(jué)難,無(wú)從下手,產(chǎn)生畏難情緒和挫敗感.我們?cè)谄匠5慕虒W(xué)中與學(xué)生分析討論,發(fā)現(xiàn)制約他們解決傳送帶問(wèn)題的有以下幾點(diǎn):

        一、由實(shí)際生活問(wèn)題轉(zhuǎn)化成物理模型的能力

        如圖1所示,生活中的傳送帶圖像中包括了高中物理傳送帶的幾種常見(jiàn)模型:常見(jiàn)的水平傳送帶模型、傾斜傳送帶模型、垂直方向的兩個(gè)傳送帶和橢圓狀的傳送帶模型.

        圖1

        由于對(duì)實(shí)際生活經(jīng)驗(yàn)和機(jī)械內(nèi)部結(jié)構(gòu)的不了解,導(dǎo)致學(xué)生把生活中的物理問(wèn)題轉(zhuǎn)化為物理模型的能力匱乏,需要我們?cè)谌粘=虒W(xué)中多注重對(duì)演示實(shí)驗(yàn)和自制實(shí)驗(yàn)的開(kāi)發(fā).在科學(xué)活動(dòng)中多開(kāi)發(fā)物理興趣小組展示活動(dòng),比如自制傳送帶,自制水力發(fā)電機(jī),用筷子搭建橋梁.激發(fā)學(xué)生的動(dòng)手能力,讓學(xué)生在做中學(xué)習(xí)物理知識(shí),思考物理原理,提升建立物理模型的能力.

        二、摩擦力的方向向哪兒?

        在傳送帶問(wèn)題中,學(xué)生遇到的第二個(gè)問(wèn)題是如何確定摩擦力的方向.解決這個(gè)問(wèn)題首先要把握產(chǎn)生摩擦力的基本條件:物體間相互接觸、發(fā)生擠壓;接觸面粗糙;物體之間有相對(duì)運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)或者相對(duì)運(yùn)動(dòng).對(duì)于相對(duì)運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)或者相對(duì)運(yùn)動(dòng),可分成以下幾類:

        1.將物體無(wú)初速度地放在運(yùn)動(dòng)的傳送帶上

        物體無(wú)初速度地放在傳送帶上,相對(duì)于傳送帶在往后運(yùn)動(dòng),滑動(dòng)摩擦力的方向向前,讓學(xué)生從最基本的幾種情況開(kāi)始,分析物體相對(duì)于傳送帶的運(yùn)動(dòng)方向,然后分析出物體所受滑動(dòng)摩擦力的方向,圖2摩擦力水平向右,圖3摩擦力平行于斜面向上,圖4摩擦力平行于斜面向下.

        2.物體與傳送帶運(yùn)動(dòng)方向相同,以某個(gè)初速度沖上傳送帶

        在圖5中,對(duì)物體而言:

        當(dāng)V1>V2時(shí),物體和傳送帶均向前運(yùn)動(dòng),物體比傳送帶運(yùn)動(dòng)的快,物體所受滑動(dòng)摩擦力方向向后;

        當(dāng)V1

        當(dāng)V1=V2時(shí),圖5中沒(méi)有摩擦力.

        在圖6、圖7中,需要分兩類情況討論:

        (1)μ≥tanθ,mgsinθ≤μmgcosθ,物體有下滑趨勢(shì),但無(wú)相對(duì)滑動(dòng),為靜摩擦力,方向平行于斜面向上,合力為零,物體與傳送帶一起勻速運(yùn)動(dòng);

        (2)μμmgcosθ,物體所受合力向下,不能與傳送帶一起勻速運(yùn)動(dòng),將發(fā)生相對(duì)滑動(dòng),因而受到滑動(dòng)摩擦力,方向平行于斜面向上.圖6物體將做勻減速直線運(yùn)動(dòng),圖7物體將做勻加速直線運(yùn)動(dòng).

        只需要判斷他們的相對(duì)速度的大小和方向,即可以得到物體的相對(duì)運(yùn)動(dòng)方向,從而判斷出所受摩擦力的方向,然后根據(jù)物體的受力情況,判斷物體的運(yùn)動(dòng)情景.

        3.物體以某個(gè)初速度沖上傳送帶,物體與傳送帶運(yùn)動(dòng)方向相反

        讓學(xué)生動(dòng)手在運(yùn)動(dòng)的紙面上摩擦,親身感受摩擦力的方向,在根據(jù)相對(duì)運(yùn)動(dòng)的方向去分析滑動(dòng)摩擦力的方向.圖8中滑動(dòng)摩擦力水平向左,圖9中滑動(dòng)摩擦力方向平行于斜面向下,圖10中滑動(dòng)摩擦力方向平行于斜面向上.

        4.物體的初速度方向與傳送帶運(yùn)動(dòng)方向垂直

        例1(2014年江蘇高考卷第15題)如圖11所示,生產(chǎn)車(chē)間有兩個(gè)相互垂直且等高的水平傳送帶甲和乙,甲的速度為v0.質(zhì)量均為m的工件離開(kāi)甲前與甲的速度相同,并平穩(wěn)地傳到乙上,工件與乙之間的動(dòng)摩擦因數(shù)為μ.乙的寬度足夠大,重力加速度為g.

        (1)若乙的速度為v0,求工件在乙上側(cè)向(垂直于乙的運(yùn)動(dòng)方向)滑過(guò)的距離s;

        (2)若乙的速度為2v0,求工件在乙上剛停止側(cè)向滑動(dòng)時(shí)的速度大小v;

        (3)保持乙的速度2v0不變,當(dāng)工件在乙上剛停止滑動(dòng)時(shí),下一只工件恰好傳到乙上,如此反復(fù).若每個(gè)工件的質(zhì)量均為m,除工件與傳送帶之間摩擦外,其他能量損耗均不計(jì),求驅(qū)動(dòng)乙的電動(dòng)機(jī)的平均輸出功率.

        解析物體沖上傳送帶,沿物體的初速度方向(x軸)做勻減速直線運(yùn)動(dòng),沿傳送帶運(yùn)動(dòng)方向(y軸)做勻加速直線運(yùn).如圖12,作出傳送帶的速度方向、物體的速度方向,分析出物體相對(duì)于傳送帶的運(yùn)動(dòng)方向,根據(jù)滑動(dòng)摩擦力的定義得到滑動(dòng)摩擦力的方向.

        三、摩擦力在什么情況下突變?為什么突變?

        在傳送帶問(wèn)題中,某些情況下,摩擦力會(huì)發(fā)生突變,比如圖2中物體先在滑動(dòng)摩擦力作用下勻加速,當(dāng)物體達(dá)到傳送帶的速度后,摩擦力突然消失.圖3中物體在滑動(dòng)摩擦力的帶動(dòng)下先勻加速,當(dāng)物體達(dá)到傳送帶的速度時(shí),不再滿足滑動(dòng)摩擦力的產(chǎn)生條件,摩擦力性質(zhì)發(fā)生改變,物體和傳送帶之間為靜摩擦力,方向平行于斜面向上.

        例2如圖13,傳送帶與水平面夾角為37°,逆時(shí)針勻速轉(zhuǎn)動(dòng),速度v=10m/s,在傳送帶的頂端無(wú)初速放一個(gè)小物體,傳送帶與物體之間的動(dòng)摩擦因數(shù)μ,傳送帶的上側(cè)長(zhǎng)度L=16m,求:

        (1)μ=0.8時(shí),物體從傳送帶頂端運(yùn)動(dòng)到底端所用的時(shí)間;

        (2)μ=0.5時(shí),物體從傳送帶上端運(yùn)動(dòng)到下端所用的時(shí)間;

        解析當(dāng)物體輕輕放在傳送帶最上端時(shí),物體相對(duì)于傳送帶向上運(yùn)動(dòng),物體所受滑動(dòng)摩擦力方向平行于斜面向下,合力向下,物體做勻加速直線運(yùn)動(dòng),當(dāng)物體加速到與傳送帶相同的速度時(shí),討論最大靜摩擦力的大小,分析摩擦力的突變.

        (1)μ=0.8時(shí),根據(jù)牛頓第二定律,

        mgsinθ+μmgcosθ=ma1,即a1=gsinθ+μgcosθ=12.4m/s2

        物體加速階段所用的時(shí)間t1=0.806s ,相應(yīng)的位移為x1=4.03m.

        當(dāng)物體和傳送帶速度相同時(shí),mgsinθ<μmgcosθ時(shí),物體將與傳送帶一起做勻速直線運(yùn)動(dòng), 摩擦力變?yōu)殪o摩擦力,方向平行于斜面向上,x2=11.97m,t2=1.197s.

        所以,物體從上端滑到下端所用的時(shí)間t=t1+t2=2.003s.

        (2)μ=0.5時(shí),對(duì)物體進(jìn)行受力分析,

        mgsinθ+μmgcosθ=ma1,即a1=10m/s2.

        物體加速階段所用的時(shí)間t1=1s ,相應(yīng)的位移為x1=5m.

        當(dāng)物體和傳送帶速度相同時(shí),判斷物體能否與傳送帶一起勻速運(yùn)動(dòng).因?yàn)閙gsinθ>μmgcosθ時(shí),所受合力不為零,物體將在傳送帶繼續(xù)做勻加速直線運(yùn)動(dòng),仍然是滑動(dòng)摩擦力,但方向變?yōu)槠叫杏谛泵嫦蛏?,重新受力分析,mgsinθ-μmgcosθ=ma2,即a2=2m/s2.x2=L-x1=11m,

        所以,物體從上端滑到下端所用的時(shí)間t=t1+t2=2s.

        四、物體在傳送帶上究竟是如何運(yùn)動(dòng)的,如何求解相對(duì)位移?

        物體在傳送帶上的運(yùn)動(dòng),經(jīng)常涉及到多個(gè)過(guò)程,理清每個(gè)過(guò)程的受力和運(yùn)動(dòng)情況,分析物體的位移和傳送帶的位移,從而求出物體相對(duì)傳送帶的位移,對(duì)學(xué)生的物理能力要求比較高,有時(shí)候借助物理圖像能更好的幫助學(xué)生分析運(yùn)動(dòng)過(guò)程,求解相對(duì)位移.

        例3如圖14所示,繃緊的水平傳送帶足夠長(zhǎng),速率不變,v1=2m/s.一團(tuán)小墨塊以初速度v2=3m/s的從右側(cè)光滑水平面上的A處滑上傳送帶.若從小墨塊滑上傳送帶開(kāi)始計(jì)時(shí),在傳送帶上運(yùn)動(dòng)5s后與傳送帶的速度一致,求:

        (1)小墨塊向左運(yùn)動(dòng)的最遠(yuǎn)距離,

        (2)小墨塊在傳送帶上留下的痕跡長(zhǎng)度.

        解析(1)小墨塊沖上傳送帶,所受滑動(dòng)摩擦力水平向右,物體先向左勻減速到0,然后向右勻加速到與傳送帶具有相同的速度,取向右為正方向,求出加速度a=1m/s2,方向水平向右.

        向左運(yùn)動(dòng)的最遠(yuǎn)距離x1=4.5m.t1=3s,在這段時(shí)間t1內(nèi)傳送帶的位移x2=6m,方向水平向右;

        物體相對(duì)于傳送帶的位移

        Δx1=x1+x2=10.5m.

        然后物體向右加速運(yùn)動(dòng),向右運(yùn)動(dòng)的時(shí)間t2=2s,在這段時(shí)間t2內(nèi)物體的位移x3=2m,傳送帶的位移x4=4m,物體相對(duì)于傳送帶的位移Δx2=x4-x3=2m.

        整個(gè)過(guò)程中傳送帶上的痕跡長(zhǎng)度

        x=Δx1+Δx2=12.5m.

        如果我們做出物體運(yùn)動(dòng)的v-t圖像和傳送帶的v-t圖像,如圖15所示,比較他們的相對(duì)運(yùn)動(dòng),分析圖像的意義,顯然可以很清晰地得到小墨塊向左運(yùn)動(dòng)的最遠(yuǎn)距離和小墨塊在傳送帶上留下的痕跡長(zhǎng)度.

        對(duì)學(xué)生的傳送帶問(wèn)題,作出思維導(dǎo)圖,分析學(xué)生在學(xué)習(xí)傳送帶問(wèn)題中所遇到的難點(diǎn),學(xué)生的難點(diǎn)主要集中于這三個(gè)方面:①摩擦力方向向哪兒?②摩擦力在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中如何突變的?③根據(jù)受力情況判讀物體在傳送帶上是如何運(yùn)動(dòng)的?

        對(duì)學(xué)生在學(xué)習(xí)傳送帶問(wèn)題中的疑難點(diǎn)逐個(gè)分析,逐個(gè)突破.通過(guò)培養(yǎng)學(xué)生的建立物理模型能力,提高學(xué)生的物理素養(yǎng);分析摩擦力的方向和是否會(huì)發(fā)生突變,培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維能力;通過(guò)對(duì)圖像法的應(yīng)用,提升學(xué)生的物理方法和物理信心.

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