Question

如圖所示為某鋼鐵廠的鋼軌傳送裝置，斜坡長為L=20m，高為h=2m，斜坡上緊排著一排滾筒．長為l=8m、質(zhì)量為m=1×10³ kg的鋼軌ab放在滾筒上，鋼軌與滾筒間的動摩擦因數(shù)為μ=0.3，工作時(shí)由電動機(jī)帶動所有滾筒順時(shí)針勻速轉(zhuǎn)動，使鋼軌沿斜坡向上移動，滾筒邊緣的線速度均為v=4m/s．假設(shè)關(guān)閉電動機(jī)的瞬時(shí)所有滾筒立即停止轉(zhuǎn)動，鋼軌對滾筒的總壓力近似等于鋼軌的重力．取當(dāng)?shù)氐闹亓�加速度g=10m/s²．試求：
（1）鋼軌從坡底（如圖示位置）從靜止開始運(yùn)動，直到b端到達(dá)坡頂所需的最短時(shí)間；
（2）鋼軌從坡底（如圖示位置）從靜止開始運(yùn)動，直到b端到達(dá)坡頂?shù)倪^程中電動機(jī)至少要工作多長時(shí)間？

Answer 1

解：（1）分析可知，欲使b端到達(dá)坡頂所需要的時(shí)間最短，需要電動機(jī)一直工作，則鋼軌先做勻加速直線運(yùn)動，當(dāng)它的速度等于滾筒邊緣的線速度后，做勻速直線運(yùn)動．鋼軌開始受到的滑動摩擦力為：
f₁=μmg=3×10³ N
根據(jù)牛頓第二定律 f₁-mg sinα=ma₁
解得：a₁=2 m/s²
鋼軌開始做勻加速運(yùn)動的時(shí)間為 t₁==2 s
位移為 s₁=a₁t₁²=4 m
鋼軌做勻速直線運(yùn)動的位移為 s₂=L-l-s₁=8 m
做勻速直線運(yùn)動的時(shí)間為 t₂==2 s
所需的最短時(shí)間為 t=t₁+t₂=4 s
（2）欲使電動機(jī)工作的時(shí)間最短，鋼軌的最后一段運(yùn)動要關(guān)閉電動機(jī)，鋼軌勻減速上升，b端到達(dá)坡頂時(shí)速度剛好為零．
根據(jù)牛頓第二定律 f₁+mg sinα=ma₂
勻減速運(yùn)動的加速度大小為 a₂=4 m/s²
歷時(shí) t₃==1s
位移為s₃=vt₃-a₂t₃²=2 m
電動機(jī)至少要工作的時(shí)間為
答：（1）鋼軌從坡底從靜止開始運(yùn)動，直到b端到達(dá)坡頂所需的最短時(shí)間為4s；
（2）鋼軌從坡底從靜止開始運(yùn)動，直到b端到達(dá)坡頂?shù)倪^程中電動機(jī)至少要工作3.5s時(shí)間？
分析：（1）欲使b端到達(dá)坡頂所需要的時(shí)間最短，需要電動機(jī)一直工作，則鋼軌先做勻加速直線運(yùn)動，當(dāng)它的速度等于滾筒邊緣的線速度后，做勻速直線運(yùn)動．
（2）欲使電動機(jī)工作的時(shí)間最短，鋼軌的最后一段運(yùn)動要關(guān)閉電動機(jī)，鋼軌勻減速上升，即鋼軌先加速后勻速，最后減速；故電機(jī)工作時(shí)間等于除去減速外鋼軌的運(yùn)動時(shí)間．
點(diǎn)評：本題關(guān)鍵是明確鋼軌的運(yùn)動規(guī)律，然后分階段根據(jù)牛頓第二定律求解加速度，再根據(jù)運(yùn)動學(xué)公式列式求解．