如图甲所示为车站使用的水平传送装置的示意图．绷紧的传送带长度L=2.0m，以v=3.0m/s的恒定速率运行，传送带的水平部分AB距离水平地面的高度h=0.45m．现有一行李箱（可视为质点）质量m=10kg

Question

如图甲所示为车站使用的水平传送装置的示意图．绷紧的传送带长度L=2.0m，以v=3.0m/s的恒定速率运行，传送带的水平部分AB距离水平地面的高度h=0.45m．现有一行李箱（可视为质点）质量m=10kg，以v₀=1.0m/s的水平初速度从A端滑上传送带，被传送到B端时没有被及时取下，行李箱从B端水平抛出，行李箱与传送带间的动摩擦因数μ=0.20，不计空气阻力，重力加速度g取l0m/s²．
（1）求行李箱从传送带上A端运动到B端过程中行李箱的速度；
（2）传送带与轮子间无相对滑动，不计轮轴处的摩擦，求为运送该行李箱电动机多消耗的电能；
（3）若传送带的速度v可在0～5.0m/s之间调节，仍以v₀的水平初速度从A端滑上传送带，且行李箱滑到B端均能水平抛出．请你在图乙中作出行李箱从B端水平抛出到落地点的水平距离x与传送带速度v的关系图象．（要求写出作图数据的分析过程）

Answer 1

（1）行李箱刚滑上传送带时做匀加速直线运动，设行李箱受到的摩擦力为F_f
根据牛顿第二定律有：F_f=μmg=ma　　
解得 a=μg=2.0 m/s²
设行李箱速度达到v=3.0 m/s时的位移为s₁
  v²-v₀²=2as₁　　
则得 s₁=(v2-v20)/(2a)=2.0 m=L
即行李箱在传动带上刚好能加速达到传送带的速度是3.0 m/s．
（2）在行李箱匀加速运动的过程中，传送带上任意一点移动的长度 s=vt=3 m
行李箱与传送带摩擦产生的内能 Q=μmg（s-s₁）
行李箱增加的动能△E_k=(1)/(2)m（v²-v₀²）
设电动机多消耗的电能为E，根据能量转化与守恒定律得
  E=△E_k+Q　　
解得 E=60 J
（3）物体匀加速能够达到的最大速度 v_m=√(v20+2aL)=3.0 m/s
当传送带的速度为零时，行李箱匀减速至速度为零时的位移为：
  s₀=(v20)/(2a)=0.25 m<L
当传送带的速度0<v<3.0 m/s时，行李箱的水平位移x=vt，式中t=√((2h)/(g))=0.3 s为恒量，即水平位移x与传送带速度v成正比．
当传送带的速度v≥3.0 m/s时，x=v_m√((2h)/(g))=0.9 m　行李箱从传送带水平抛出后的x-v图象如图所示．
答：（1）行李箱从传送带上A端运动到B端过程中行李箱的速度是3.0 m/s；
（2）为运送该行李箱电动机多消耗的电能是60J；
（3）行李箱从B端水平抛出到落地点的水平距离x与传送带速度v的关系图象如图．