陳志軍

(安徽省績溪中學(xué) 安徽 宣城 245300)

對傳送帶“被加速”問題的分析研究*

陳志軍

(安徽省績溪中學(xué) 安徽 宣城 245300)

針對傳送帶運(yùn)送物體過程中，學(xué)生提出傳送帶反而被物體“加速”的疑問，對傳送帶運(yùn)送物體的能量轉(zhuǎn)化疑難問題進(jìn)行分析研究，以深化學(xué)生對能量轉(zhuǎn)化的理解，提高學(xué)生的科學(xué)思維能力．

傳送帶 被加速 摩擦力 能量轉(zhuǎn)化

傳送帶是高中物理中的一個典型模型，也是高考的一個熱點(diǎn)．傳送帶在日常生活和生產(chǎn)中有著廣泛的應(yīng)用，我們在工廠、車站、機(jī)場、大型超市等隨處可見繁忙運(yùn)轉(zhuǎn)的傳送帶，對傳送帶能量轉(zhuǎn)化情況的分析，體現(xiàn)了物理教學(xué)理論聯(lián)系實(shí)際，更好地把物理知識應(yīng)用于日常生活和社會生產(chǎn)．在傳送帶的教學(xué)過程中，學(xué)生對物體在傳送帶表面運(yùn)行時(shí)，傳送帶是否“被加速”等問題爭論不休，下面就對該問題進(jìn)行深入分析研究．

1 原題及解析

【題目】如圖1所示，傳送帶以v=4 m/s的速度沿順時(shí)針方向勻速轉(zhuǎn)動，一質(zhì)量m=1.0 kg的可看做質(zhì)點(diǎn)的小物塊，以初速度v0=8 m/s的速度水平向右從A點(diǎn)沖上傳送帶，小物塊與傳送帶之間的動摩擦因數(shù)μ=0.2，假設(shè)傳送帶足夠長，求物體與傳送帶之間因摩擦產(chǎn)生的熱量．

圖1 原題題圖

解析：物體沖上傳送帶以后，由于物體的速度比傳送帶的速度大，因此物體受到的滑動摩擦力水平向左，物體將在滑動摩擦力的作用下做勻減速直線運(yùn)動，傳送帶受到的滑動摩擦力水平向右，又由于傳送帶足夠長，經(jīng)過一段時(shí)間，物體在B點(diǎn)減速到與傳送帶速度相等，再一起向右做勻速直線運(yùn)動，物體將不再受到傳送帶給它的摩擦力．

物體做勻減速直線運(yùn)動的加速度

a=-μg=-2.0 m/s2

物體達(dá)到與傳送帶速度相等經(jīng)歷的時(shí)間

物體的位移

方向水平向右.

傳送帶的位移

x帶=vt=8 m

方向水平向右.

物體與傳送帶克服一對滑動摩擦力做功產(chǎn)生的熱量

Q=μmgx相對=μmg(x物-x帶)=8 J

2 問題的提出

原題的問題已經(jīng)解答完畢，有學(xué)生進(jìn)行深入思考，繼續(xù)分析得出物體的動能減少量

因傳送帶水平，物體的重力勢能保持不變，傳送帶速度始終恒定，即傳送帶的動能保持不變，而物體的動能減少24 J，系統(tǒng)內(nèi)能增加8 J，我們知道能量是守恒的，那還有16 J的能量哪里去了？有同學(xué)提出，能量肯定是守恒的，物體動能減少、系統(tǒng)內(nèi)能增加也是肯定的，那只能是傳送帶的動能增加，而且給出的解釋是物體受到的摩擦力方向向左，傳送帶受到物體給它的摩擦力方向向右，與傳送帶的運(yùn)動方向相同，對傳送帶做正功，對傳送帶提供動力，所以傳送帶的動能要增加．也有同學(xué)提出反對意見，認(rèn)為如果該過程傳送帶的動能增加了，那傳送帶的速度變化了，前面求解的位移、熱量結(jié)果就會發(fā)生變化，與題干也有矛盾，難道會相互影響？學(xué)生在課堂上對該問題的討論非常熱烈．

3 對問題的分析和討論

由學(xué)生的討論可以看出，學(xué)生是進(jìn)行了積極的思考，而且都建立在能量守恒的前提下，不過我們要結(jié)合生活中的傳送帶實(shí)際運(yùn)行情況進(jìn)行分析．

3.1 傳送帶空載運(yùn)行

假設(shè)有一水平傳送帶以速度v做勻速轉(zhuǎn)動，此時(shí)傳送帶處于空載狀態(tài)，雖然沒有運(yùn)送物體，但傳送帶須克服轉(zhuǎn)軸等處阻力做功，電動機(jī)必須輸出能量，如果關(guān)閉發(fā)動機(jī)，傳送帶也將停止轉(zhuǎn)動，從實(shí)際生活中運(yùn)行的傳送帶來看，這個能量還是非常大的．假設(shè)空載時(shí)電動機(jī)的輸出功率恒定為P0，則在t0時(shí)間內(nèi)傳送帶需輸出能量E0，很明顯運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間越長E0越大．

3.2 物體動能損失的去向

從實(shí)際生活中的情況來看，傳送帶由空載到重載運(yùn)行是有個過程的，該過程比較復(fù)雜，傳送帶的速度或多或少會發(fā)生一些變化，電動機(jī)的輸出功率也會發(fā)生復(fù)雜變化，只是該練習(xí)題中不討論這個問題，被理想化忽略了．

在簡化后的理想模型下分析，我們知道，空載時(shí)，電動機(jī)輸出功率恒定為P0，需要輸出能量E0來保持傳送帶的勻速運(yùn)動．而在原題中，根據(jù)能量守恒，物體在傳送帶上運(yùn)動減少的動能(24 J)一部分轉(zhuǎn)化成相互摩擦的內(nèi)能(8 J)，另一部分(16 J)并沒有使傳送帶加速，而是拿來克服傳送帶轉(zhuǎn)軸等處的阻力做功，也就是電動機(jī)輸出功率P0減小，不再恒定，即在t0時(shí)間內(nèi)不需要輸出E0那么多的能量來維持傳送帶的空載轉(zhuǎn)動，減輕了電動機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)壓力．電動機(jī)因傳送帶運(yùn)送物體多消耗的能量

E=ΔEk+ΔEp+Q=-16 J

即實(shí)際上電動機(jī)少輸出了16 J的能量．再考察傳送帶，因?yàn)檫\(yùn)送物體，傳送帶受到的滑動摩擦力水平向右，與物體的運(yùn)動方向一致，摩擦力對傳送帶做正功

W帶=μmgx帶=16 J

相當(dāng)于傳送帶“克服”摩擦力做功W=-16 J，可以看出E=W，即傳送帶因運(yùn)送物體多消耗的能量與傳送帶“克服”物體給它的摩擦力做功相等．由于傳送帶始終是勻速運(yùn)動，摩擦力對傳送帶做正功并沒有使傳送帶加速，而是把轉(zhuǎn)軸處阻力做的功抵消了16 J，因此電動機(jī)就不需要以較大的功率P0來維持傳送帶的空載轉(zhuǎn)動．

需要指出的是，以上的分析是建立在傳送帶由空載到重載運(yùn)行過程中，其運(yùn)行速度恒定不變的基礎(chǔ)上，而在實(shí)際生活中，傳送帶在該過程的速度會發(fā)生變化，本題情境下的能量轉(zhuǎn)化也就與以上的分析有所偏差，當(dāng)然總能量肯定是守恒的．

3.3 問題拓展

如圖2所示，傳送帶以恒定速度v=10 m/s沿逆時(shí)針方向轉(zhuǎn)動，長度L=16 m，與水平方向夾37°角，在傳送帶上端A處無初速釋放質(zhì)量m=0.5 kg的物塊，物塊與傳送帶間的動摩擦因數(shù)μ=0.5，求電動機(jī)因傳送物體多消耗的能量．

圖2 拓展

分析：這也是一個忽略傳送帶空載到重載運(yùn)行過程的問題，在忽略該過程后的理想模型下分析可知，傳送帶逆時(shí)針轉(zhuǎn)動，物塊無初速度地放上傳送帶，由于傳送帶相對物塊向下運(yùn)動，傳送帶受到物塊的滑動摩擦力方向沿傳送帶向上，物塊受到的滑動摩擦力方向沿傳送帶向下，物塊先以加速度為a1沿斜面向下做勻加速運(yùn)動，當(dāng)速度達(dá)到10 m/s后，因μ

*安徽省宣城市2017年教育科學(xué)規(guī)劃立項(xiàng)課題“基于科學(xué)思維導(dǎo)向的物理教學(xué)研究”的研究成果.

2016-10-28)