高中 | 牛顿第二定律的两类基本问题 题目答案及解析

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必修1

第四章 牛顿运动定律

4.6 用牛顿运动定律解决问题(一)

牛顿第二定律的两类基本问题

如图所示为某建筑工地的传送装置,长为$L=6\;\rm m$、倾角$\theta=24^\circ $的传送带倾斜地固定在水平面上,以恒定的速率$v_{0}=8\;\rm m/s$顺时针转动,质量$m=1\;\rm kg$的工件(可视为质点)无初速地放在传送带的顶端,经过一段时间工件运动到传动带的底端,工件与传送带之间的动摩擦因数为$\mu=\dfrac{4}{9}$,取$\cos24^\circ =0.9$$\sin24^\circ =0.4$,重力加速度$g=10\;\rm m/s^{2}$,则下列说法正确的是$(\qquad)$

["

工件由顶端到底端的时间为$1\\;\\rm s$

","

若工件与传送带共速时立马将传送带改为逆时针转动,则工件由顶端到底端的时间将变长

","

工件在传送带上留下的痕迹长度为$4\\;\\rm m$

","

调整转速,工件从顶端到底端的最短时间为$\\dfrac{\\sqrt{6}}{2}\\;\\text{s}$

"]
[["CD"]]

$\rm AB$.工件刚放上传送带时,根据牛顿第二定律可得加速度大小为$a=\dfrac{mg\sin\theta+\mu mg\cos\theta}{m}=8\;\rm \text{m}/\text{s}^{2}$

工件加速到与传送带共速所用时间为$t_{1}=\dfrac{v_{0}}{a}=1\;\rm \text{s}$

此过程工件下滑的位移大小为$x_{1}=\dfrac{v_{0}}{2}t_{1}=4\;\text{m} \lt L=6\;\rm \text{m}$

由于$mg\sin \theta=\mu mg\cos \theta$,可知共速后工件向下做匀速直线运动,则有$t_{2}=\dfrac{L-x_{1}}{v_{0}}=0.25\;\rm \text{s}$

则工件由顶端到底端的时间为$t=t_{1}+t_{2}=1.25\;\rm s$

若工件与传送带共速时立马将传送带改为逆时针转动,由于工件受到的滑动摩擦力仍与重力分力$mg\sin \theta$平衡,工件仍向下做匀速直线运动,所以工件由顶端到底端的时间不变,故$\rm AB$错误;

$\rm C$.共速前工件与传送带发生的相对位移为$\Delta x=v_{0}t_{1}-x_{1}=8\times1\;\rm m-4\;m=4\;m$

可知工件在传送带上留下的痕迹长度为$4\;\rm m$,故$\rm C$正确;

$\rm D$.调整转速,当工件从顶端到底端一直做加速运动时,所用时间最短,则有$L=\dfrac{1}{2}at_{\min}^{2}$

可知工件从顶端到底端的最短时间为$t_{\min}=\sqrt{\dfrac{2L}{a}}=\sqrt{\dfrac{2 \times 6}{8}}\;\text{s}=\dfrac{\sqrt{6}}{2}\;\text{s}$

$\rm D$正确。

故选:$\rm CD$

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