高中 | 斜面问题 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)

斜面问题

如图甲是物流用机器人运送、投递包裹的场景。简化图如乙所示,工作人员在供包台将包裹放在机器人的水平托盘上,包裹将自动送至方形分拣口,停止运动后缓慢翻起托盘,让包裹滑入投递口。其启动和制动过程可视为匀变速直线运动,抵达分拣口时,速度恰好减为零,翻转托盘倾角缓慢增大,直至包裹下滑,包裹与托盘接触面动摩擦因数为$\dfrac{\sqrt{3}}{3}$,最大静摩擦力近似等于滑动摩擦力,重力加速度$g$大小取$10\;\rm m/s^{2}$。现把质量$m=1\;\rm kg$的包裹从供包台沿直线运至相距$L=6\sqrt{3}\;\rm \text{m}$的分拣口处,在运行过程中包裹与水平托盘保持相对静止。运行最大速度$v=4\;\rm m/s$,机器人运送包裹途中,看作质点。求:

在机器人到达投递口处,要使包裹能够下滑,托盘的最小倾角$\theta$应该是多少;

[["

$\\theta=30^\\circ $

"]]

托盘倾斜包裹刚要下滑时满足$mg\sin \theta=\mu mg\cos \theta$

解得$\tan\theta=\dfrac{\sqrt{3}}{3} \Rightarrow \theta=30{^\circ}$

机器人制动时的最大加速度,及此时托盘对包裹的作用力$F$的大小;

[["

$a= \\dfrac{10}{3}\\sqrt{3}\\;\\rm \\text{m}/\\text{s}^{2}$$F=\\dfrac{20}{3}\\sqrt{3}\\;\\rm \\text{N}$

"]]

机器人制动时由静摩擦力提供加速度,当静摩擦力达到最大时,包裹的加速度最大$\mu mg=ma$

解得$a=\dfrac{\sqrt{3}}{3}g=\dfrac{10}{3}\sqrt{3}\;\rm \text{m}/\text{s}^{2}$

此时托盘给包裹提供$2$个力,所以$F=\sqrt{F_{N}^{2}+F_{\max}^{2}}$

解得$F=\dfrac{20}{3}\sqrt{3}\;\rm \text{N}$

求机器人从供包台运行至分拣口所需的最短时间$t$

[["

$t=1.9\\sqrt{3}\\;\\rm \\text{s}$

"]]

匀加速直线运动的最短时间$t_{1}= \dfrac{v_{\text{m}}}{a}=\dfrac{4}{\dfrac{10}{3}\sqrt{3}}= 0.4\sqrt{3}\;\rm \text{s}$

匀加速直线运动位移$x_{1}=\dfrac{v_{\text{m}}^{2}}{2a}$

解得$x_{1}=0.8\sqrt{3}\;\rm \text{m}$

匀加速直线运动与匀减速直线运动时间、位移相等,所以匀速直线运动的位移$x_{2}=L-2x_{1}$

解得$x_{2}=4.4\sqrt{3}\;\rm \text{m}$

所以匀速直线运动时间$t_{2}=\dfrac{x_{2}}{v_{\text{m}}}=\dfrac{4.4\sqrt{3}}{4}=1.1\sqrt{3}\;\rm \text{s}$

解得$t=2t_{1}+t_{2}=1.9\sqrt{3}\;\rm \text{s}$

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