Question

5．如圖所示，用半徑為0.4m的電動(dòng)滾輪在長(zhǎng)薄鐵板的上表面壓扎一道淺槽，薄鐵板的長(zhǎng)為2.8m質(zhì)量為10kg．已知滾輪與鐵板、鐵板與工作臺(tái)面間的動(dòng)摩擦因數(shù)分別為0.3和0.1．鐵板從一端放入工作臺(tái)的滾輪下，工作時(shí)滾輪對(duì)鐵板產(chǎn)生恒定的豎直向下的壓力，大小為100N，在滾輪的摩擦力作用下鐵板由靜止開(kāi)始向前運(yùn)動(dòng)并被壓扎出一道淺槽．已知滾輪轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度恒為5rad/s，g=10m/s²．
（1）通過(guò)分析計(jì)算，說(shuō)明鐵板將如何運(yùn)動(dòng)．
（2）加工一塊鐵板需要多少時(shí)間？
（3）加工一塊鐵板電動(dòng)機(jī)要消耗多少電能（不考慮電動(dòng)機(jī)自身的能耗）

Answer 1

分析 （1）由與滾輪勻速圓周運(yùn)動(dòng)，鐵板由靜止釋放，鐵板與滾輪間有相對(duì)滑動(dòng)，產(chǎn)生滑動(dòng)摩擦力，故鐵板會(huì)加速；直到接觸處相對(duì)靜止為止，之后變?yōu)殪o摩擦力，鐵板勻速前進(jìn)，直到分離為止．
（2）加工鐵板時(shí)間即為鐵塊加速運(yùn)動(dòng)時(shí)間和勻速運(yùn)動(dòng)時(shí)間之和，先由線速度與角速度關(guān)系式v=ωr求出線速度，再由牛頓第二定律求出加速度，根據(jù)運(yùn)動(dòng)學(xué)公式可求出加速時(shí)間和位移，最后求出勻速時(shí)間，得到總時(shí)間．
（3）根據(jù)功能關(guān)系和能量守恒定律可知，消耗的總電能等于系統(tǒng)增加的動(dòng)能和內(nèi)能之和，故可先求出鐵板動(dòng)能增量，再由Q=f△s求出產(chǎn)生的熱能，從而得到消耗的電能

解答 解：（1）開(kāi)始砂輪給鐵板向前的滑動(dòng)摩擦力 　
F₁=μ₁F_lN=0.3×100N=30N；
工作臺(tái)給平板的摩擦阻力       
F₂=μ₂F_2N=0.1×（100+l0×10）N=20N＜F₁；
因而鐵板先向右做勻加速直線運(yùn)動(dòng)a=$\frac{{F}_{1}-{F}_{2}}{m}$=$\frac{30-20}{10}$=1m/s²；
加速過(guò)程鐵板達(dá)到的最大速度 v_m=ωR=5×0.4m/s=2m/s；
這一過(guò)程鐵板的位移s₁=$\frac{{v}_{m}^{2}}{2a}$=$\frac{{2}^{2}}{2×1}$=2m＜2.8m；
因而此后砂輪對(duì)鐵板的摩擦力將變?yōu)殪o摩擦力F₁′，F(xiàn)₁′=F₂，鐵板將以2m/s的速度做勻速運(yùn)動(dòng)；
故鐵板先以1m/s²的加速度做勻加速直線運(yùn)動(dòng)，然后以2m/s的速度做勻速運(yùn)動(dòng)
（2）鐵板加速時(shí)間t₁=$\frac{{v}_{m}}{a}$=$\frac{2}{1}$s=2s；
鐵板勻速時(shí)間t₂=$\frac{L-{S}_{1}}{{v}_{m}}$=$\frac{2.8-2}{2}$s=0.4s；
故總時(shí)間為t=t₁+t₂=2.4s．
（3）根據(jù)功能關(guān)系和能量守恒定律可知，消耗的總電能等于系統(tǒng)增加的動(dòng)能和內(nèi)能之和；
鐵板動(dòng)能增量為，△E_k=$\frac{1}{2}$mv²=$\frac{1}{2}$×10×2²J=20J；
鐵板與滾輪間的相對(duì)路程為，△S=v_mt₁-s₁=2×2-2=2m；
鐵板與滾輪間因摩擦產(chǎn)生的熱量為Q₁=F₁△S=30×2J=60J；
鐵板與地面間因摩擦產(chǎn)生的熱量為Q₂=F2L=20×2.8J=56J；
因而消耗的電能為E=△E_k+Q₁+Q₂=136J；
答：（1）鐵板先以1m/s²的加速度做勻加速直線運(yùn)動(dòng)，然后以2m/s的速度做勻速運(yùn)動(dòng)；
（2）加工一塊鐵板需要2.4s；
（3）加工一塊鐵板電動(dòng)機(jī)要消耗136J．

點(diǎn)評(píng) 本題中鐵板的運(yùn)動(dòng)有加速過(guò)程和勻速過(guò)程，容易忽略加速過(guò)程，消耗的電能可由功能關(guān)系和能量守恒定律相結(jié)合求解．