Question

如圖甲所示是一個(gè)裝置示意圖，正方體A作為配重使用，保證杠桿EOF始終在水平位置平衡．某同學(xué)用這個(gè)裝置和一個(gè)圓柱形密閉容器D提取水中的圓柱體B；該同學(xué)用力拉動(dòng)滑輪組繞繩自由端，手拉繩的功率和密閉容器D勻速被提升的距離關(guān)系如圖22乙所示；在提升全過(guò)程中，密閉容器D上升速度始終保持不變，配重A始終沒(méi)有離開地面，每個(gè)滑輪的質(zhì)量都相等．已知密閉容器D的底面積為S_D=1.2×10^-2m²，質(zhì)量為m_D=3kg；正方體A單獨(dú)放在水平地面上，對(duì)地面的壓強(qiáng)為p₀=3×10⁴P_a，密閉容器D未被提出水面勻速上升和完全提出水面后勻速上升，A對(duì)地面的壓強(qiáng)分別為p₁=2.1×10⁴ P_a，p₂=1.3×10⁴ P_a．（不計(jì)繩的重力，滑輪與軸的摩擦及水的阻力，不考慮水面高度變化，g取10N/kg）
求：（1）密閉容器D浸沒(méi)在水中時(shí)所受的浮力；
（2）動(dòng)滑輪受到的重力G₀；
（3）圓柱體B受到的重力；
（4）密閉容器D完全提出水面后，滑輪組提升圓柱體B的機(jī)械效率．（百分號(hào)前保留整數(shù)）

Answer 1

解：（1）由圖象可得h_D=3m-2m=1m
V_D=S_Dh_D=1.2×10^-2m²×1m=1.2×10^-2m³，
F_浮=ρ_水gV_D=1×10³kg/m³×10N/kg×1.2×10^-2m³=120N；
（2）由圖象可得未被提出水面勻速上升和完全提出水面后勻速上升的功率分別為P₁=6W，P₂=12W；
∵P=Fv
∴====，
當(dāng)D在水中勻速上升時(shí)，動(dòng)滑輪及物體B和D整體、杠桿、定滑輪的受力分析

即3F₁+F_浮=G_B+G_D+G₀-----①
F_F1=4F₁+2G₀-----②
F_E1OE=F_F1OF------③
當(dāng)D在空氣中勻速上升時(shí)，動(dòng)滑輪及物體B和D整體、杠桿、定滑輪的受力分析

3F₂=G_B+G_D+G₀---------④
F_F2=4F₂+2G₀---------⑤
F_E2OE=F_F2OF--------⑥
物體A單獨(dú)在地面、D在水中、D在空氣中的受力分析：

G_A=N₀=p₀S_A--------⑦
G_A=N₁+F_E1=p₁S_A+F_E1--------⑧
G_A=N₂+F_E2=p₂S_A+F_E2------⑨
由①④式得3F₁+F_浮=3F₂
再由=，F(xiàn)_浮=120N及上式可得：F₁=40N，F(xiàn)₂=80N；
由③⑥式可得=，
再由②⑤⑦⑧⑨及上式可得
=
=
代入數(shù)據(jù)解得：G₀=10N；
（3）G_D=m_Dg=3kg×10N/kg=30N
將G₀=10N，G_D=30N，F(xiàn)₂=80N代入④式得：
3×80N=G_B+30N+10N
G_B=200N；
（4）密閉容器D完全提出水面后，滑輪組提升圓柱體B的機(jī)械效率：η=×100%=×100%=×100%=83%．
答：（1）密閉容器D浸沒(méi)在水中時(shí)所受的浮力為120N；
（2）動(dòng)滑輪受到的重力G₀為10N；
（3）圓柱體B受到的重力為200N；
（4）密閉容器D完全提出水面后，滑輪組提升圓柱體B的機(jī)械效率為83%．
分析：（1）根據(jù)圖象得出D的高度，并求出D的體積，利用F_浮=ρ_水gV_排求出D浸沒(méi)在水中時(shí)所受的浮力；
（2）先從圖象中讀出未被提出水面勻速上升和完全提出水面后勻速上升的功率，利用P=Fv求出拉力之間的關(guān)系，然后分別對(duì)D在水中勻速上升時(shí)、D在空氣中勻速上升時(shí)，動(dòng)滑輪及物體B和D整體、杠桿、定滑輪的受力分析，以及物體A單獨(dú)在地面、D在水中、D在空氣中的受力分析，分別列出關(guān)系時(shí)，結(jié)合各關(guān)系式之間的關(guān)系以及已知量求出動(dòng)滑輪重；
（3）先求出D的重力，然后根據(jù)與B重力有關(guān)的關(guān)系式得出B的重力；
（3）根據(jù)η===求出D完全提出水面后，滑輪組提升圓柱體B的機(jī)械效率．
點(diǎn)評(píng)：本題為力學(xué)綜合題，考查了學(xué)生對(duì)重力公式、密度公式、阿基米德原理、杠桿平衡條件、效率公式的掌握和運(yùn)用，知識(shí)點(diǎn)多、綜合性強(qiáng)，要求靈活運(yùn)用所學(xué)知識(shí)求解，關(guān)鍵是對(duì)不同情況進(jìn)行正確受力分析．