图21是利用电子秤监控水库水位的模拟装置,由长方体A和B、滑轮组、轻质杠杠CD、电子秤等组成.杠杠始终在水平位置平衡.已知OC:OD=1:2,A的体积为0.02m_,A重为400N,B重为150N,动滑轮重100N,不计绳重与摩擦(ρ_水=1.0×10_kg/m_).求:
(1)A的密度是kg/m_;
(2)单独使用该滑轮组在空气中匀速提升A时的机械效率是%;
(3)水位上涨到A的上表面时,A受到的浮力是N;
(4)水位上涨过程中,电子秤所受的最大压力为N.
解答:
本题考查了重力的计算、密度的计算、滑轮组绳子拉力的相关计算.
(1)长方体A的质量,根据G=mg可得:
m=G/g
=400N/10N/kg=40kg
所以长方体A的密度,根据ρ=m/V可得:
ρ=40kg/0.02m_=2×10_kg/m_=2000kg/m_
(2)单独使用该滑轮组在空气中匀速提升A时,n=3,根据η=W_有/W_总×100%可得:
机械效率η=Gh/(G_动+G_物)h×100%
=400N/(100N+400N)×100%=80%
(3)当水位上涨到A的上表面时,因为A浸没水中,所以V_排=V_A,根据F=ρgV_排可得:
A受到的浮力:F_浮=ρgV_排=1.0×10_kg/m_×10N/kg×0.02m_=200N
(4)水位上涨过程中,因要求电子秤所受的最大压力,即A浸没水中,受到的浮力最大F_浮=200N
n=3,根据力的平衡有:F_C=(G_动+G_物-F_A浮)/n
F_C=(100N+400N-200N)/3=100N
根据相互作用力大小相等可知,A对C端拉力与C对A物体拉力大小相等,所以作用在杠杆C端的力,因杠杆始终在水平位置平衡,O为支点,根据F$_1$L$_1$= F$_2$L$_2$可得:
F_C L$_1$=F_DL$_2$
100N×OC=OD×F_D解得:
F_D=100N×OC/OD=100N/2=50N
对B物体受力平衡,所以电子秤受到B物体对它的最大压力:
F_压=F_N=G_B-F_D=150N-50N=100N
答:(1)A的密度为2000kg/m_;(2)单独使用该滑轮组在空气中匀速提升A时的,机械效率为80%
(3)当水位上涨到A的上表面时,A物体浸没在水后所受浮力的大小为200N;(4)水库中的水刚好浸没物体A时,B物体对电子秤最大的压力是100N.
如图所示,是利用器械提升重物的示意图.当某人自由站在水平地面上时,他对地面的压强P_0=2×10_Pa;当滑轮下未挂重物时,他用力匀速举起杠杆的A端,使杠杆在水平位置平衡时,他对地面的压强P$_1$=2.375×10_Pa;当滑轮下加挂重物G后,他用力匀速举起杠杆的A端,使杠杆在水平位置平衡时,他对地面的压强P$_2$=5.75×10_Pa.假设这个人用的力和绳端B用的力始终沿竖直方向.(杠杆、绳重和机械间摩擦忽略不计)则当重物G被匀速提升过程中,滑轮组的机械效率为%.
分析:
知道两次用力时对地面的压强,分别列方程式求出当滑轮下未挂重物时,他对杠杆A端施加的举力分别为F$_1$、F$_2$、人的重力和受力面积(与地的接触面积);
当滑轮下未挂重物时,他用力F$_1$匀速举起杠杆的A端时所做的功为利用这个机械时的额外功,当滑轮下加挂重物G后,他用力F$_2$匀速举起杠杆的A端所做的功为总功,根据机械效率的公式即可求整个滑轮组的机械效率η.
解答:
解:设:加挂重物前后他对杠杆A端施加的举力分别为F$_1$、F$_2$,人的重力:G_人=p_0S
当滑轮下未挂重物时,他用力匀速举起杠杆的A端,使杠杆在水平位置平衡时,则人对地面的压力
F$_1$+G_人=p$_1$S,
∴F$_1$=p$_1$S-p_0S=(2.375×10_Pa-2×10_Pa)×S=0.375×10_Pa×S=3750S
当滑轮下加挂重物G后,他用力匀速举起杠杆的A端,使杠杆在水平位置平衡时,则人对地面的压力
F$_2$+G_人=p$_2$S,
∴F$_2$=p$_2$S-p_0S=(5.75×10_Pa-2×10_Pa)×S=3.75×10_Pa×S=37500S
当滑轮下未挂重物时,他用力匀速举起杠杆的A端,使杠杆在水平位置平衡时,假设人使杠杆A端上升高度h,则F$_1$做的功为W$_1$=F$_1$h,这时,因没有提升任何物体,所的功为额外功,
当滑轮下加挂重物G后,他用力匀速举起杠杆的A端,使杠杆在水平位置平衡时,假设人使杠杆A端上升高度h,则F$_2$做的总功为W$_2$=F$_2$h,
故滑轮组的机械效率η=$\frac {W$_2$-W$_1$}{W$_2$}$×100%═$\frac {37500Sh-3750Sh}{37500Sh}$×100%=90%.
故答案为:90%.
点评:
本题考查压强的计算,注意分析出压强变化的原因,要求灵活利用所学知识、选用所学公式,利用好滑轮组的特点、杠杆平衡条件.有一定的难度.
分析:
解答:
点评:
某科技小组设计的提升重物的装置如图甲所示.图中水平杆CD与竖直杆EH、DI组合成支架固定在水平地面上.小亮站在地面上通过滑轮组提升重物,滑轮组由动滑轮P和动滑轮Q(动滑轮P和动滑轮Q的质量相等)以及安装在水平杆CD上的两个定滑轮组成.小亮以拉力F$_1$匀速竖直提升物体A的过程中,物体A的速度为υ$_1$,滑轮组的机械效率为η_A.小亮以拉力F$_2$匀速竖直提升物体B的过程中,物体B的速度为υ$_2$,滑轮组的机械效率为η_B.拉力F$_1$、F$_2$做的功随时间变化的图象分别如图23乙中①、②所示.已知:υ$_1$=4υ$_2$,物体A和物体B的质量之比为1:3,(不计绳的质量,不计滑轮与轴的摩擦);(1)动滑轮P的重力:物体B的重力=:;(2)机械效率η_B:η_A=:.
分析:
(1)对物体及滑轮组进行受力分析,由平衡条件及滑轮组公式求出动滑轮与物体重力之比.
(2)有用功与额外功的和是总功,由功的公式求出有用功与总功,然后由效率公式求出效率,最后求出效率之比.
解答:
解:设每个动滑轮受的重力为G_动.匀速提升物体A时,以物体A和动滑轮的整体为研究对象,受力分析如图甲所示.以动滑轮P为研究对象,受力分析如图乙所示.
匀速提升物体B时,以物体B和动滑轮的整体为研究对象,受力分析如图丙所示.以动滑轮P为研究对象,受力分析如图丁所示.
由图甲、乙得:
2F$_1$′=G_A+G_动,2F$_1$=F$_1$′′+G_动,
因为F$_1$′′=F$_1$′
所以F$_1$=$\frac {G_A+3G_动}{4}$ ①,
由图丙、丁得:
2F$_2$′=G_B+G_动 2F$_2$=F$_2$′′+G_动
因为F$_2$′′=F$_2$′
所以F$_2$=$\frac {G_B+3G_动}{4}$ ②,
由①②得$\frac {F$_1$}{F$_2$}$=$\frac {G_A+3G_动}{G_B+3G_动}$ ③,
由题中W-t图象可知:P$_1$=$\frac {W$_1$}{t$_1$}$=90W,P$_2$=$\frac {W$_2$}{t$_2$}$=45W,
由$\frac {P$_1$}{P$_2$}$=$\frac {F$_1$v$_1$}{F$_2$v$_2$}$,υ$_1$=4υ$_2$,解得:$\frac {F$_1$}{F$_2$}$=$\frac {1}{2}$ ④,
由③④解得:G_B=2G_A+3G_动 ⑤,
由解得:$\frac {G_A}{G_B}$=$\frac {m_Ag}{m_Bg}$=$\frac {m_A}{m_B}$=$\frac {1}{3}$ ⑥,
由⑤⑥解得:G_A=3G_动,G_B=9G_动,
则$\frac {G_动}{G_B}$=$\frac {1}{9}$;
(2)η_A=$\frac {W_有A}{W_总A}$=$\frac {G_Ah}{G_Ah+G_动h+G_动×2h}$=$\frac {G_A}{G_A+3G_动}$=$\frac {3G_动}{3G_动+3G_动}$=50%,
η_B=$\frac {W_有B}{W_总B}$=$\frac {G_Bh}{G_Bh+G_动h+2G_动h}$=$\frac {9G_动}{9G_动+3G_动}$=75%,
机械效率η_B与η_A之比$\frac {η_A}{η_B}$=$\frac {50%}{75%}$=$\frac {2}{3}$;
答:(1)动滑轮P的重力与物体B的重力之比为1:9;
(2)机械效率η_B与η_A之比为3:2.
点评:
本题考查了求动滑轮与物体重力之比、滑轮组的效率之比,难度较大,是一道难题,对物体正确进行受力分析,应用平衡条件、滑轮组公式、效率公式,即可正确解题.