Question

（2012?西城區(qū)二模）如圖所示，是使用汽車打撈水下重物的示意圖．汽車通過滑輪組打撈水下一個(gè)圓柱形重物，在整個(gè)打撈過程中，汽車以0.3m/s的速度向右水平勻速運(yùn)動(dòng)．重物在水面下被提升的過程共用時(shí)50s，汽車?yán)瓌?dòng)繩子的功率P₁為480W．重物開始露出水面到完全被打撈出水的過程共用時(shí)10s，此過程中汽車?yán)瓌?dòng)繩子的功率逐漸變大，當(dāng)重物完全被打撈出水后，汽車的功率P₂比P₁增加了120W，且滑輪組機(jī)械效率為80%．忽略水的阻力、繩重和滑輪的摩擦，g取10N/kg．求：
（1）重物浸沒在水中所受浮力；
（2）打撈前重物上表面受到水的壓力；
（3）被打撈重物的密度．

Answer 1

分析：（1）由汽車?yán)瓌?dòng)繩子的功率和速度，根據(jù)汽車?yán)�繩子的拉力，根據(jù)繩子的段數(shù)，分別求出重物浸沒在水中和完全露出水面時(shí)，滑輪組拉動(dòng)重物的力．
重物浸沒在水中和完全露出水面進(jìn)行受力分析，根據(jù)平衡條件列出等式，求出浮力大�。�
（2）①知道浮力、水的密度、根據(jù)阿基米德原理，求出重物排開水的體積，即重物的體積．
②重物有三段繩子承擔(dān)，重物移動(dòng)的速度是繩子自由端移動(dòng)速度的三分之一．
重物露出水面過程：知道繩子自由端的時(shí)間和速度，求出繩子自由端移動(dòng)的距離，求出重物出水移動(dòng)的距離，即重物的高度．
重物在水中浸沒過程：知道繩子自由端的時(shí)間和速度，求出繩子自由端移動(dòng)的距離，求出重物從開始移動(dòng)，到重物剛出水面的時(shí)，重物移動(dòng)的距離，即重物在水中的深度．
③知道重物體積和重物的高度，求出圓柱體重物的橫截面積，即受力面積．
④知道深度、水的密度，根據(jù)壓強(qiáng)公式求出水對(duì)重物上表面的壓強(qiáng)．根據(jù)F=pS，求出壓力．
（3）根據(jù)3F_拉2=G_物+G_輪求出重物和動(dòng)滑輪的總重，知道機(jī)械效率，根據(jù)η=

G物h

(G物+G動(dòng))h

，求出重物的重．
根據(jù)G=ρVg求出物體的密度．

解答：解：（1）F_拉1=

P1

v

=

480W

0.3m/s

=1600N--①
F_拉2=

P2

v

=

600W

0.3m/s

=2000N--②
以動(dòng)滑輪和重物為研究對(duì)象，物體出水前后受力情況如圖所示．

3F_拉1+F_浮=G_物+G_輪 --③
3F_拉2=G_物+G_輪--④
由①、②、③、④式得：
F_浮=3（F_拉2-F_拉1）=3×（2000N-1600N）=1200N．
（2）重物浸沒在水中：V_物=V_排=

F浮

ρ水g

=

1200N

1×103kg/m3×10N/kg

=0.12m³
重物有三段繩子承擔(dān)，重物移動(dòng)的距離是繩子自由端移動(dòng)距離的三分之一，
所以，重物的高度：h₂=

1

3

s₂=

1

3

vt₂=

1

3

×0.3m/s×10s=1m，
所以，重物在水中上升高度，即重物上表面到水面的距離：h₁=

1

3

s₁=

1

3

vt₁=

1

3

×0.3m/s×50s=5m，
重物的橫截面積：S=

V物

h2

=

0.12m3

1m

=0.12m² ．
打撈前重物上表面受水的壓力：
F_壓=p_水S=ρ_水gh₁S=1×10³kg/m³×10N/kg×5m×0.12m²=6×10³N．
（3）從④式得：G_物+G_輪=3F_拉2=3×2000N=6000N，
η=

W有

W總

=

G物h

(G物+G動(dòng))h

，
G_物=η （G_物+G_輪）=80%×6000N=4800N，
ρ_物=

G物

gV物

=

4800N

10N/kg×0.12m3

=4×10³kg/m³．
答：（1）重物浸沒在水中所受浮力1200N；
（2）打撈前重物上表面受到水的壓力6×10³N；
（3）被打撈重物的密度4×10³kg/m³．

點(diǎn)評(píng)：本題是力學(xué)計(jì)算的壓軸題，幾乎包括了力學(xué)的各種計(jì)算．本題包括力的分析、平衡力、浮力、繩子的段數(shù)、功率、壓力、液體壓強(qiáng)、體積、速度、密度、重力、機(jī)械效率等，綜合性很強(qiáng)，難度很大．