【虚拟现实课堂】传送带模型中的动力学问题

2023/3/15 9:48:00 矩道科技 产品动态


 传送带模型是高中物理经典模型之一,既能训练学生的科学思维,又密切联系生活实际,是历年高考考察的热点,也是高中物理教学中的重点和难点。
      借助矩道物理虚拟实验室平台,将抽象过程转化为实际可交互的动态呈现,同时结合学生的认知规律,还可以将受力分析的过程动态可视化、将各物理量的变化图象化展示,帮助学生建立物理观念,形成科学思维习惯,增强科学探究能力和解决实际问题的能力,促进学生学科核心素养的发展。
      接下来我们分析水平传送带下的几种情形。


情景一:物体初速度为v0,传送带以速度v匀速转动,v0和v同向


1.当v0<v时:

可以看到,如果传送带足够长,物体开始做加速运动,最终与传送带相对静止,共同以速度v匀速运动。

这是因为,物体在传送带上开始受到传送带给物块向右的摩擦力,摩擦力作为驱动力,物体做初速度为v0、加速度为a=gμ的匀加速运动。当物体速度与传送带速度相等时,二者相对静止,物体水平方向合外力为0,做速度为v的匀速运动。

此过程中,物体速度达到v的用时为:

物体相对于地面的距离为:

传送带某一点运动的距离为:

物体相对于传送带的运动距离,即在传送带上留下的痕迹为:

物体的速度、位移、相对位移等相关运动图象为:

当v0=0时,物体在传送带上留下的痕迹最长,为:

其运动图象为:

如果传送带较短,长度L0<S,则物体一直做加速运动,其运动到传送带右端时的速度为:


2.当v0>v时:

可以看到,如果传送带足够长,物体先减速,最终与传送带共速。这是因为物体开始受到传送带对它的摩擦力方向向左,为阻力。当物体速度为v时,物体与传送带相对静止,水平方向合外力为0。物体的运动图象为:


情景二:物体初速度为v0,传送带以速度v匀速转动,v0和v反向


1.当传送带较短时:

此时,物体所受摩擦力为阻力,物体做减速运动,加速度大小同样为a=gμ。由于传送带较短,物体滑出传送带时速度并未减到0。


2.当传送带足够长时:

此时,物体会先减速到0,然后摩擦力反向,做同样加速度大小的加速运动。此过程可以分为三段:

第一段:减速段,物体以初速度v0、加速度a=gμ减速到0。

此过程中物体运动时间:

物体相对于地面的运动距离:

传送带上某一点运动的距离:

物体在传送带上的痕迹为二者距离相加,即:

如果传送带速度始终为0时,物体运动情况与此种情况相同,上式中L1为0。

第二段:加速段,物体做初速度为0、加速度a=gμ的加速运动。最终物块回到传送带左端时的速度v’是多少呢?物块最终能否与传送带共速呢?

我们知道,由于加速段和减速段的加速度大小相等,当物块回到传送带左端时相对于地面的运动距离也相同。

如果物体在这段距离内可以达到传送带的速度v,则物体的运动距离为:

求得v0 ≥ v。此时物体返回时的速度就是v。物体在传送带上的痕迹为:

如果物体在这段距离内达不到传送带的速度v,则物体与传送带共速时的运动距离:

求得v0<v。此时物体返回时的速度与物体初速度大小相等,方向相反。物体在传送带上的痕迹为:

因此,当v0>v时,物体返回左端时的速度为v;当v0<v时,物体返回左端时的速度为v0。第三段:共速段,此时v0>v,物体返回左端时与传送带共速。



 物理学基于观察和实验构建物理模型。物理模型的构建是解决实际问题的重要方法和途径,对于物理的学习意义重大。利用矩道物理仿真实验平台,进行直观的物理模型构建,有利于学生物理观念和科学思维的形成,促进其知识迁移创新学习能力,助力学科核心素养的提升。

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