Question

小明和哥哥一起制作了一個牽引裝置用來鍛煉身體，如圖所示．圓柱體的質(zhì)量為3kg，底面積為1dm²，高15cm，小明測得哥哥用40N的力3s將圓柱體勻速舉高0.3m．（g取10N/kg）
（1）作圖：
a．在圖中畫出圓柱體所受力的示意圖．
b．人的小腿可看作是一根杠桿，支點(diǎn)在膝關(guān)節(jié)，在圖13中標(biāo)出支點(diǎn)并畫出繩對腿的拉力的力臂．
（2）圓柱體上升運(yùn)動過程可用圖______ （填“a”“b”或“c”）段表示，圖中c段說明哥哥在______（填“靜止”或“運(yùn)動”）．
（3）此牽引裝置使用的滑輪是一個______滑輪?，使用它的優(yōu)點(diǎn)是______．
（4）計(jì)算：
a．將圓柱體平放在地面上，圓柱體對地面的壓強(qiáng)是多大？
b．此裝置的機(jī)械效率是多大？
（5）哥哥在提升圓柱體的過程中做額外功可能是因?yàn)開_____造成的．現(xiàn)在給你一個彈簧測力計(jì)、一瓶機(jī)油，請你設(shè)計(jì)一個簡單實(shí)驗(yàn)方案，來驗(yàn)證你的觀點(diǎn)．
（6）將此裝置的圓柱體放入水中提升（圓柱體未露出水面），應(yīng)用多大的力？

Answer 1

【答案】分析：（1）a、對圓柱體受力分析可知受到豎直向上繩子的拉力和豎直向下本身的重力，據(jù)此作出圓柱體所受力的示意圖；
b、先在膝關(guān)節(jié)出標(biāo)出支點(diǎn)O，過支點(diǎn)做到水平方向拉力作用線的距離，即為拉力的力臂．
（2）由3s將圓柱體勻速舉高0.3m結(jié)合圖象可知b段可表示圓柱體上升運(yùn)動過程，由c段可知時間在變長但距離不變，故此段說明哥哥在靜止．
（3）根據(jù)滑輪是否隨物體一塊移動判斷類型，再根據(jù)類型說明使用它的優(yōu)點(diǎn)．
（4）a、圓柱體對地面的壓力和自身的重力相等，根據(jù)G=mg求出其大小，再根據(jù)壓強(qiáng)公式求出平放在地面上時對地面的壓強(qiáng)；
b、根據(jù)W=Gh求出有用功，根據(jù)W=FS求出總功，利用η=求出此裝置的機(jī)械效率．
（5）由實(shí)驗(yàn)裝置可知提升圓柱體的過程中做額外功可能是因定滑輪與繩子摩擦造成的；控制其它量不變，改變摩擦力的大小再測幾個進(jìn)行比較即可驗(yàn)證觀點(diǎn)的正誤．
（6）對放入水中的圓柱體受力分析可知：受到豎直向下的重力、豎直向上的拉力和浮力，根據(jù)浮力公式求出受到的浮力，根據(jù)G=mg求出重力，再根據(jù)力的平衡求出繩子對圓柱體的拉力，最后根據(jù)效率公式求出哥哥應(yīng)用的力．
解答：解：（1）a、在圓柱體上畫出豎直向上繩子的拉力和豎直向下本身的重力；
b、標(biāo)出支點(diǎn)O，過支點(diǎn)做到水平方向拉力作用線的距離，如下圖所示：

（2）哥哥3s內(nèi)將圓柱體勻速舉高0.3m結(jié)合圖象可知b可表示圓柱體上升運(yùn)動過程；由圖象c段可知哥哥在靜止．
（3）由圖可知，滑輪不隨圓柱體一塊運(yùn)動，故為定滑輪；定滑輪的使用優(yōu)點(diǎn)是：可以改變用力方向．
（4）a、圓柱體對地面的壓強(qiáng)：
p====Pa=3×10³ Pa．
b．此裝置的機(jī)械效率：
η=====75%．
（5）根據(jù)實(shí)驗(yàn)裝置可知，提升圓柱體的過程中做額外功可能是繩子與定滑輪之間的摩擦造成的；
實(shí)驗(yàn)方案：根據(jù)控制變量法可知，在其它不變的情況下可以通過用機(jī)油點(diǎn)滑輪潤滑減小摩擦力，再用彈簧秤測拉力F，再測幾個進(jìn)行比較．
（6）圓柱體浸沒在水中所受浮力：
F_浮=ρ_液gV_排=1.0×10³kg/m³×10N/kg×1×10^-2m²×0.15m=15N，
圓柱體的重力：G=mg=3×10N=30N
所以不用裝置直接用手提繩的力F_拉=G-F_浮=30N-15N=15N
η=
所以F′===20N．
故答案為：（1）如上圖所示；（2）b，靜止；（3）定，改變用力方向；
（4）a、圓柱體對地面的壓強(qiáng)3×10³Pa；b．此裝置的機(jī)械效率為75%；
（5）定滑輪與繩子摩擦；用機(jī)油點(diǎn)滑輪潤滑，再用彈簧秤測拉力F，再測幾個進(jìn)行比較．
（6）將此裝置的圓柱體放入水中提升（圓柱體未露出水面），應(yīng)用20N的力．
點(diǎn)評：本題考查了受力分析、力臂的畫法、圖象分析、滑輪的判斷和優(yōu)點(diǎn)、壓強(qiáng)的計(jì)算、功和效率的計(jì)算、浮力的計(jì)算等涉及的知識點(diǎn)較多，綜合性較強(qiáng)，給解題帶來了較大的難度．