文档内容
训练五 传送带模型和“滑块—木板”模型
题型一 传送带模型
知识梳理
1.水平传送带
滑块的运动情况
情景 传送带不足够长(未达到和传
传送带足够长
送带相对静止)
一直加速 先加速后匀速
vv时,一直减速 v>v时,先减速再匀速
0 0
滑块先减速到速度为0,后
被传送带传回左端
滑块一直减速到右端 若vv,则返回到
0 0
左端时速度为v
2.倾斜传送带
滑块的运动情况
情景
传送带不足够长 传送带足够长
一直加速(一定满足关系 先加速后匀速(一定满足关
gsin θ<μgcos θ) 系gsin θ<μgcos θ)
若μ≥tan θ,先加速后匀
一直加速(加速度为gsin θ 速
+μgcos θ) 若μv时,若μv时,若μ≥tan θ,先
0
θ-μgcos θ,若μ≥tan 减速后匀速;若μμgcos θ,一直加速;
gsin θ=μgcos θ,一直匀速
gsin θ<μgcos θ,先减
速到速度为0后反向加速,
gsin θ<μgcos θ,一直减
(摩擦力方向一定沿斜 若v≤v,加速到原位置时
0
速
面向上) 速度大小为v;若v>v,运
0 0
动到原位置时速度大小为v
考向1 动力学中水平传送带问题
例1 (多选)应用于机场和火车站的安全检查仪,其传送装置可简化为如图所示的模型.传送带始终保持
v=0.4 m/s的恒定速率运行,行李与传送带之间的动摩擦因数μ=0.2,A、B间的距离为2 m,g取10
m/s2.旅客把行李(可视为质点)无初速度地放在A处,则下列说法正确的是( )
A.开始时行李的加速度大小为2 m/s2
B.行李经过2 s到达B处
C.行李到达B处时速度大小为0.4 m/s
D.行李在传送带上留下的摩擦痕迹长度为0.08 m
答案 AC
解析 开始时,对行李,根据牛顿第二定律有μmg=ma,解得a=2 m/s2,故A正确;设行李做匀加速运
动的时间为t,行李做匀加速运动的末速度为v=0.4 m/s,根据v=at,代入数据解得t=0.2 s,匀加
1 1 1
速运动的位移大小x=at2=×2×0.22 m=0.04 m,匀速运动的时间为t== s=4.9 s,可得行李从A到
1 2
B的时间为t=t+t=5.1 s,故B错误;由以上分析可知行李在到达B处前已经与传送带共速,所以行李
1 2
到达B处时速度大小为0.4 m/s,故C正确;行李在传送带上留下的摩擦痕迹长度为Δx=vt-x=
1
(0.4×0.2-0.04) m=0.04 m,故D错误.
考向2 动力学中的倾斜传送带问题
例2 (2021·辽宁卷·13)机场地勤工作人员利用传送带从飞机上卸行李.如图所示,以恒定速率v=
1
0.6 m/s运行的传送带与水平面间的夹角α=37°,转轴间距L=3.95 m.工作人员沿传送方向以速度v
2
=1.6 m/s从传送带顶端推下一件小包裹(可视为质点).小包裹与传送带间的动摩擦因数μ=0.8.取重力
加速度g=10 m/s2,sin 37°=0.6,cos 37°=0.8.求:
(1)小包裹相对传送带滑动时加速度的大小a;
(2)小包裹通过传送带所需的时间t.
答案 (1)0.4 m/s2 (2)4.5 s
解析 (1)小包裹的初速度v大于传送带的速度v,所以开始时小包裹受到的传送带的摩擦力沿传送带向
2 1
上,因为小包裹所受滑动摩擦力大于重力沿传送带方向上的分力,即μmgcos θ>mgsin θ,所以小包裹与传送带共速后做匀速直线运动至传送带底端,根据牛顿第二定律可知μmgcos θ-mgsin θ=ma,解得
a=0.4 m/s2
(2)根据(1)可知小包裹开始阶段在传送带上做匀减速直线运动,
用时t== s=2.5 s
1
在传送带上滑动的距离为
x=t=×2.5 m=2.75 m
1 1
共速后,匀速运动的时间为t== s=2 s,所以小包裹通过传送带所需的时间为t=t+t=4.5 s.
2 1 2
考向3 传送带中的动力学图像
例3 (多选)(2023·福建省西山学校高三模拟)如图,一足够长的倾斜传送带顺时针匀速转动.一小滑块
以某初速度沿传送带向下运动,滑块与传送带间的动摩擦因数恒定,最大静摩擦力等于滑动摩擦力,则其
速度v随时间t变化的图像可能是( )
答案 BC
解析 设传送带倾角为θ,滑块与传送带间的动摩擦因数为μ,滑块质量为m,若mgsin θ>μmgcos
θ,则滑块所受合力沿传送带向下,小滑块向下做匀加速运动;若mgsin θ=μmgcos θ,则小滑块沿传
送带方向所受合力为零,小滑块匀速下滑;若mgsin θ<μmgcos θ,则小滑块所受合力沿传送带向上,
小滑块先做匀减速运动,当速度减为零时,开始反向加速,当加速到与传送带速度相同时,因为最大静摩
擦力大于小滑块重力沿传送带向下的分力,故小滑块随传送带做匀速运动,A、D错误,B、C正确.
变式训练1 (多选)(2023·广东省华南师大附中检测)如图甲所示,一足够长的、倾角为37°的传送带以
恒定速率稳定运行,一质量m=1 kg、底部有墨粉的小物体从传送带中间某位置平行滑上传送带,取物体
沿传送带向上运动方向为正方向,则物体相对地面的速度随时间变化的关系如图乙所示,若取g=10
m/s2,sin 37°=0.6,cos 37°=0.8.则下列说法正确的有( )
A.0~8 s内物体的位移大小为14 m
B.物体与传送带间的动摩擦因数为0.625
C.0~4 s内物体上升的高度为4 m
D.0~8 s内物体在传送带上留下的墨迹长度为18 m
答案 AD解析 物体运动的位移即v-t图像中图线与横轴围成的面积,则x=×4 m-2×2× m=14 m,A正确;由
物体运动的v-t图像可知,在2~6 s内物体做匀加速直线运动,有a== m/s2=1 m/s2,且μmgcos
37°-mgsin 37°=ma,解得μ=0.875,B错误;在0~4 s内由题图知,物体运动的位移为0,则在0~
4 s内物体上升的高度为0,C错误;由选项A可知,在0~8 s内物体的位移x=14 m,传送带的位移x′
=vt=4×8 m=32 m,则0~8 s内物体在传送带上留下的墨迹长度为Δx=x′-x=18 m,D正确.
题型二 “滑块—木板”模型
知识梳理
1.模型特点:滑块(视为质点)置于木板上,滑块和木板均相对地面运动,且滑块和木板在摩擦力的作用
下发生相对滑动.
2.位移关系:如图所示,滑块由木板一端运动到另一端的过程中,滑块和木板同向运动时,位移之差Δx
=x-x=L(板长);滑块和木板反向运动时,位移大小之和x+x=L.
1 2 2 1
3.解题关键点
(1)由滑块与木板的相对运动来判断“板块”间的摩擦力方向.
(2)当滑块与木板速度相同时,“板块”间的摩擦力可能由滑动摩擦力转变为静摩擦力或者两者间不再有
摩擦力(水平面上共同匀速运动).
考向1 水平面上的板块问题
例4 如图所示,在光滑的水平面上有一足够长且质量为M=4 kg的长木板,在长木板右端有一质量为m
=1 kg的小物块,长木板与小物块间的动摩擦因数为μ=0.2,长木板与小物块均静止,现用F=14 N的
水平恒力向右拉长木板,经时间t=1 s撤去水平恒力F,g取10 m/s2,则:
(1)在F的作用下,长木板的加速度为多大?
(2)刚撤去F时,小物块离长木板右端多远?
(3)最终长木板与小物块一起以多大的速度匀速运动?
(4)最终小物块离长木板右端多远?
答案 (1)3 m/s2 (2)0.5 m (3)2.8 m/s (4)0.7 m
解析 (1)对长木板,根据牛顿第二定律可得a=,解得a=3 m/s2
(2)撤去F之前,小物块只受摩擦力的作用
故a=μg=2 m/s2
m
Δx=at2-at2=0.5 m
1 m
(3)刚撤去F时v=at=3 m/s,v=at=2 m/s
m m
撤去F后,长木板的加速度大小a′==0.5 m/s2
最终速度v′=v+at′=v-a′t′
m m
解得共同速度v′=2.8 m/s(4)在t′内,小物块和长木板的相对位移Δx=-,解得Δx=0.2 m
2 2
最终小物块离长木板右端x=Δx+Δx=0.7 m.
1 2
考向2 斜面上的板块问题
例5 (多选)滑沙运动是小孩比较喜欢的一项运动,其运动过程可类比为如图所示的模型,倾角为37°的
斜坡上有长为1 m的滑板,滑板与沙间的动摩擦因数为.小孩(可视为质点)坐在滑板上端,与滑板一起由静
止开始下滑,小孩与滑板之间的动摩擦因数取决于小孩的衣料,假设图中小孩与滑板间的动摩擦因数为
0.4,小孩的质量与滑板的质量相等,斜坡足够长,sin 37°=0.6,cos 37°=0.8,g取10 m/s2,则下
列判断正确的是( )
A.小孩在滑板上下滑的加速度大小为2 m/s2
B.小孩和滑板脱离前滑板的加速度大小为0.8 m/s2
C.经过1 s的时间,小孩离开滑板
D.小孩离开滑板时的速度大小为0.8 m/s
答案 BC
解析 对小孩,由牛顿第二定律得,加速度大小为a==2.8 m/s2,同理对滑板,加速度大小为a==0.8
1 2
m/s2,A错误,B正确;小孩刚与滑板分离时,有at2-at2=L,解得t=1 s,离开滑板时小孩的速度大小
1 2
为v=at=2.8 m/s,D错误,C正确.
1
考向3 板块问题中的动力学图像问题
例6 (多选)(2023·内蒙古高三检测)如图甲所示,粗糙的水平地面上有一块长木板P,小滑块Q放置于
长木板上的最右端.现将一个水平向右的力F作用在长木板的右端,让长木板从静止开始运动,一段时间
后撤去力F.滑块、长木板的速度时间图像如图乙所示,已知滑块与长木板的质量相等,滑块Q始终没有从
长木板P上滑下.重力加速度取g=10 m/s2.则下列说法正确的是( )
A.t=9 s时长木板P停下来
B.长木板P的长度至少是7.5 m
C.滑块Q与长木板P之间的动摩擦因数是0.5
D.滑块Q在长木板P上滑行的相对位移为12 m
答案 AB
解析 由题图乙可知,力F在t=5 s时撤去,此时长木板P的速度v=5 m/s,t=6 s时两者速度相
1 1 2
同,v=3 m/s,t=6 s前长木板P的速度大于滑块Q的速度,t=6 s后长木板P的速度小于滑块Q的速
2 2 2
度,0~6 s过程中,以滑块Q为研究对象,由牛顿第二定律得μmg=ma,且a==0.5 m/s2,解得μ=
1 1 1 1
0.05,在5~6 s过程中,以长木板P为研究对象,由牛顿第二定律得μ(2m)g+μmg=ma,且a==2
2 1 2 2
m/s2,解得μ=0.075,从6 s末到长木板停下来的过程中,由牛顿第二定律得μ(2m)g-μmg=ma,解
2 2 1 3
得a=1 m/s2,这段时间Δt==3 s,则t=9 s时长木板P停下来,故A正确,C错误;长木板P的长度
3 3至少是前6 s过程中滑块Q在长木板P上滑行的距离,即Δx=×5×5 m+×(5+3)×1 m-×3×6 m=
1
7.5 m,故B正确;在从6 s末到滑块Q停下来的过程中,由牛顿第二定律得μmg=ma,解得a=0.5
1 4 4
m/s2,这段时间Δt==6 s,所以t=12 s时滑块Q停下来,6 s后滑块Q在长木板P上滑行的距离Δx
4 3 2
=×6×3 m-×3×3 m=4.5 m,前6 s长木板P速度更大,后6 s滑块Q速度更大,则滑块Q在长木板P
上滑行的相对位移为Δx=Δx-Δx=3 m,故D错误.
1 2
强基固本练
1.如图所示,飞机场运输行李的倾斜传送带保持恒定的速率运行,将行李箱无初速度地放在传送带底端,
当传送带将它送入飞机货舱前行李箱已做匀速运动.假设行李箱与传送带之间的动摩擦因数为μ,传送带
与水平面的夹角为θ,已知滑动摩擦力近似等于最大静摩擦力,下列说法正确的是( )
A.要实现这一目的前提是μmgsin θ,可得μ>tan θ,故A错误;做匀速运动时,行李箱与传送带之间的摩擦力大小为F=
f
mgsin θ,故B错误;行李箱在加速阶段和匀速阶段受到的摩擦力方向均沿传送带向上,故C正确;若使
传送带速度足够大,行李箱在传送带上一直做匀加速运动,传送时间不会无限缩短,故D错误.
2.(多选)图甲为一转动的传送带,以恒定的速率v顺时针转动.在传送带的右侧有一滑块以初速度v从
0
光滑水平面滑上传送带,运动一段时间后离开传送带,这一过程中滑块运动的v-t图像如图乙所示.由图
像可知滑块( )
A.从右端离开传送带
B.从左端离开传送带
C.先受滑动摩擦力的作用,后受静摩擦力的作用
D.变速运动过程中受滑动摩擦力的作用
答案 AD
解析 由题图乙可知,滑块先向左做匀减速运动减速到零,再向右做匀加速运动,最后以与传送带相同的
速度做匀速直线运动,故从右端离开传送带,故A正确,B错误;滑块先向左做匀减速运动,受到向右的
滑动摩擦力,再向右做匀加速运动,还是受到向右的滑动摩擦力,所以变速运动过程中受滑动摩擦力的作
用,与传送带共速后做匀速直线运动,不受摩擦力作用,故C错误,D正确.
3.(多选)如图甲所示,光滑水平面上静置一个薄长木板,长木板上表面粗糙,其质量为M,t=0时刻,质量为m的物块以速度v水平滑上长木板,此后木板与物块运动的v-t图像如图乙所示,重力加速度g取10
m/s2,下列说法正确的是( )
A.M=m B.M=2m
C.木板的长度为8 m D.木板与物块间的动摩擦因数为0.1
答案 BC
解析 物块相对木板运动的过程中,在水平方向上只受到木板给的滑动摩擦力的作用,故μmg=ma,而v
1
-t图像的斜率表示加速度,故物块的加速度大小为a= m/s2=2 m/s2,解得μ=0.2,对木板受力分析可
1
知μmg=Ma,由v-t图像可知木板的加速度大小为a= m/s2=1 m/s2,联立解得M=2m,A、D错误,B正
2 2
确;从题图乙可知物块和木板在t=2 s时分离,两者在0~2 s内的v-t图像与t轴围成的面积之差等于
木板的长度,故L=×(7+3)×2 m-×2×2 m=8 m,C正确.
4.(2023·甘肃省模拟)如图所示,水平匀速转动的传送带左右两端相距L=3.5 m,物块A(可看作质点)以
水平速度v=4 m/s滑上传送带左端,物块与传送带间的动摩擦因数μ=0.1,设A到达传送带右端时的瞬
0
时速度为v,g取10 m/s2,下列说法不正确的是( )
A.若传送带速度等于2 m/s,物块不可能先做减速运动后做匀速运动
B.若传送带速度等于3.5 m/s,v可能等于3 m/s
C.若A到达传送带右端时的瞬时速度v等于3 m/s,传送带可能沿逆时针方向转动
D.若A到达传送带右端时的瞬时速度v等于3 m/s,则传送带的速度不大于3 m/s
答案 D
解析 物块在传送带上的加速度大小为a==1 m/s2,假设物块一直做匀减速运动到传送带右端,根据
v′2-v2=-2aL,解得v′=3 m/s>2 m/s,可知当传送带速度等于2 m/s时,物块一直减速到最右端,
0
故A正确;当传送带速度等于3.5 m/s,传送带逆时针转动时,v等于3 m/s,故B正确;若A到达传送带
右端时的瞬时速度v等于3 m/s,传送带可能沿逆时针方向转动,此方向传送带的速度可以为任意值,故C
正确,D错误.
5.(多选)(2023·福建福州市高三检测)如图所示,质量为M的长木板A以速度v在光滑水平面上向左匀速
0
运动,质量为m的小滑块B轻放在木板左端,经过一段时间恰好从木板的右端滑出,小滑块与木板间的动
摩擦因数为μ,下列说法中正确的是( )
A.若只增大m,则小滑块不能滑离木板
B.若只增大M,则小滑块在木板上运动的时间变短
C.若只增大v,则小滑块离开木板的速度变大
0D.若只减小μ,则小滑块滑离木板过程中小滑块对地的位移变大
答案 AB
解析 若只增大滑块质量,滑块的加速度不变,木板的加速度增大,所以滑块与木板共速时,滑块没有离
开木板,之后二者一起向左做匀速直线运动,故A正确;若只增大长木板质量,木板的加速度减小,滑块
的加速度不变,以木板为参考系,滑块运动的平均速度变大,即滑块在木板上的运动时间变短,故B正
确;若只增大木板初速度,滑块的受力不变,滑块的加速度不变,滑块相对木板的平均速度变大,滑块在
木板上的运动时间变短,所以滑块离开木板的速度变小,故C错误;若只减小动摩擦因数,那么滑块和木
板的加速度等比例减小,相对位移不变,则滑块滑离木板时速度大于木板速度,滑块滑离木板的过程所用
时间变短,木板对地位移变小,滑块滑离木板过程中滑块对地的位移为木板对地位移减去极长,故减小,
故D错误.
6.(多选)如图甲所示,一滑块置于足够长的长木板左端,木板放置在水平地面上.已知滑块和木板的质
量均为2 kg,现在滑块上施加一个F=0.5t (N)的变力作用,从t=0时刻开始计时,滑块所受摩擦力随时
间变化的关系如图乙所示.设最大静摩擦力与滑动摩擦力相等,重力加速度g取10 m/s2,则下列说法正确
的是( )
A.滑块与木板间的动摩擦因数为0.4
B.木板与水平地面间的动摩擦因数为0.2
C.图乙中t=24 s
2
D.木板的最大加速度为2 m/s2
答案 ACD
解析 由题图乙可知,滑块与木板之间的滑动摩擦力大小为8 N,则滑块与木板间的动摩擦因数为μ==
0.4,选项A正确.由题图乙可知,t时刻木板相对地面开始滑动,此时滑块与木板相对静止,则木板与水
1
平地面间的动摩擦因数为μ′==0.1,选项B错误.t时刻,滑块与木板将要发生相对滑动,此时滑块
2
与木板间的摩擦力达到最大静摩擦力F=8 N,此时两者的加速度相同,且木板的加速度达到最大,则对
fm
木板:F-μ′·2mg=ma,解得a=2 m/s2;对滑块:F-F=ma,解得F=12 N,则由 F=0.5t (N)可
fm m m fm m
知,t=24 s,选项C、D正确.
2
7.(2023·山东泰安市模拟)如图所示,水平传送带AB间的距离为16 m,质量分别为2 kg、4 kg的物块
P、Q通过绕在光滑定滑轮上的细线连接,Q在传送带的左端,且连接物块Q的细线水平,当传送带以8
m/s的速度逆时针转动时,Q恰好静止.重力加速度取g=10 m/s2,最大静摩擦力等于滑动摩擦力.当传送
带以8 m/s的速度顺时针转动时,下列说法正确的是( )
A.Q与传送带间的动摩擦因数为0.6
B.Q从传送带左端滑到右端所用的时间为2.4 s
C.Q从传送带左端滑到右端,相对传送带运动的距离为4.8 mD.Q从传送带左端滑到右端的过程细线受到的拉力大小恒为20 N
答案 C
解析 当传送带以v=8 m/s的速度逆时针转动时,Q恰好静止不动,对Q受力分析知mg=μmg,解得μ
P Q
=0.5,A错误;当传送带以v=8 m/s的速度顺时针转动,物块Q先做初速度为零的匀加速直线运动,有
mg+μmg=(m+m)a,解得a= m/s2,当物块Q速度达到传送带速度,即8 m/s后,做匀速直线运动,由
P Q P Q
v=at,解得匀加速的时间t=1.2 s,匀加速的位移为x==4.8 m,则匀速运动的时间为t==1.4 s,
1 1 2
Q从传送带左端滑到右端所用的时间为t =t+t=2.6 s,B错误;加速阶段的位移之差为Δx=vt-x=
总 1 2 1
4.8 m,即Q从传送带左端到右端相对传送带运动的距离为4.8 m,C正确;当Q加速时,对P分析有mg-
P
F=ma,解得F= N,之后做匀速直线运动,有F′=20 N,D错误.
T P T T
8.(2023·河南信阳市模拟)如图甲所示,在顺时针匀速转动且倾角为θ=37°的传送带底端,一质量m=
1 kg的小物块以某一初速度向上滑动,传送带足够长,物块的速度与时间(v-t)关系的部分图像如图乙所
示,已知sin 37°=0.6,cos 37°=0.8,g=10 m/s2,求:
(1)物块与传送带之间的动摩擦因数μ;
(2)物块沿传送带向上运动的最大位移;
(3)物块向上运动到最高点的过程中相对传送带的路程.
答案 (1)0.5 (2)6.4 m (3)4.8 m
解析 (1)由题图乙可知,物块的初速度v=8 m/s,物块的速度减速到与传送带的速度相同时,加速度发
0
生变化,所以传送带转动时的速度v=4 m/s,从t=0到t=0.4 s时间内,物块加速度大小为a== m/s2
1
=10 m/s2,方向沿斜面向下;物块受到重力、支持力和沿斜面向下的摩擦力的作用,沿斜面方向由牛顿第
二定律有mgsin θ+μmgcos θ=ma,解得μ=0.5.
1
(2)设在t=0.4 s后,物块做减速运动的加速度大小为a,物块受到重力、支持力和沿斜面向上的摩擦力
2
的作用,由牛顿第二定律可得mgsin θ-μmgcos θ=ma,解得a=2 m/s2,物块从t=0.4 s开始,经
2 2
过t时间速度减为零,则t= s=2 s,从t=0到t=0.4 s,物块位移为x=vΔt-a(Δt)2=2.4 m,
1 1 1 0 1
从t=0.4 s到t=2.4 s,物块减速到零的位移为x=t=×2 m=4 m,物块沿传送带向上运动过程中的位
2 1
移为x=x+x=6.4 m.
1 2
(3)从t=0到t=0.4 s,传送带位移为x=vΔt=1.6 m,物块相对传送带向上运动Δx=x-x=0.8
3 1 1 3
m,从t=0.4 s到t=2.4 s,传送带位移x=vt=8 m,物块相对传送带向下运动Δx=x-x=4 m,故
4 1 2 4 2
物块向上运动到最高点的过程中,物块相对传送带的路程Δx=Δx+Δx=4.8 m.
1 2
9.(2023·辽宁大连市检测)如图所示,一质量M=2 kg的长木板B静止在粗糙水平面上,其右端有一质量
m=2 kg的小滑块A,对B施加一水平向右且大小为F=14 N的拉力;t=3 s后撤去拉力,撤去拉力时滑块
仍然在木板上.已知A、B间的动摩擦因数为μ=0.1,B与地面间的动摩擦因数为μ=0.2,重力加速度
1 2
取g=10 m/s2.(1)求有拉力时木板B和滑块A的加速度大小;
(2)要使滑块A不从木板B左端掉落,求木板B的最小长度.
答案 (1)2 m/s2 1 m/s2 (2)5.25 m
解析 (1)对滑块A根据牛顿第二定律可得μmg=ma,故A的加速度大小为a=1 m/s2,方向向右;对木
1 1 1
板B根据牛顿第二定律可得F-μmg-μ(m+M)g=Ma,解得木板B加速度大小为a=2 m/s2.
1 2 2 2
(2)撤去外力瞬间,A的位移大小为x=at2=4.5 m,B的位移大小为x=at2=9 m,撤去外力时,滑块A
1 1 2 2
和木板B的速度分别为v=at=3 m/s,v=at=6 m/s,撤去外力后,滑块A的受力没变,故滑块A仍然
1 1 2 2
做加速运动,加速度不变,木板B做减速运动,其加速度大小变为a′==5 m/s2,设再经过时间t′两者
2
达到共速,则有v+at′=v-a′t′
1 1 2 2
撤去外力后,A的位移大小为x′=vt′+at′2
1 1 1
B的位移大小为x′=vt′-a′t′2
2 2 2
故木板B的长度至少为L=x-x+x′-x′
2 1 2 1
代入数据解得L=5.25 m.