Question

自选题：（只重点校做）如图是汽车起重机从某深坑中起吊重物的示意图，A是动滑轮，B是定滑轮，C是卷扬机，D是油缸，E是柱塞．作用在动滑轮上共三股钢丝绳，在卷扬机带动下每股钢丝绳上的拉力均为8500N，被吊起的重物质量为2t．吊臂OFB为一杠杆，若在本次起吊中吊臂OFB始终水平，柱塞与吊臂的连接点F与支点O的距离为吊臂全长的1/3，吊臂、定滑轮、钢丝绳的重忽略不计，动滑轮A的重不能忽略，起吊中卷扬机总功率为12kW，重物上升的速度为0.45m/s．（取g=10N/kg）求：
（1）柱塞对吊臂的支持力；
（2）滑轮组AB的机械效率；
（3）整个起吊装置的机械效率．

Answer 1

解：（1）要求柱塞对吊臂的支持力，也就是求OFB这个杠杆中的动力大小，而阻力就是三段绳子在吊重物，每段受力8500N，所以阻力就是3×8500N．由于本次起吊中吊臂OFB始终水平，所以动力臂就是OF长度，阻力臂就是OB长度，由题目可知，OB长度是OF的三倍．
（2）求滑轮组AB的机械效率，由于题目中已知绳子段数3段，重物质量2t（可求重力），绳子拉力8500N，所以须对机械效率的公式进行相应的推导．
（3）要求整个起吊装置的机械效率，这就不能单纯看成杠杆或滑轮组了，而应把整个直吊装置综合起来考虑：起吊装置是用来拉升重物的，所以重物被拉升就是有用功；而起吊装置能把重物拉升，是由卷扬机在做功，这个功就是总功．在有用功方面，已知的是重物的重（质量2t可求重力）和提升的速度0.45m/s，所以只能求出有用功的功率．在总功方面，也同样是已知总功（卷扬机）的功率12kW．所以机械效率的公式可进行这样的推导：．
故本题的解答过程为：
解：
（1）F_B=3F=3×8500=2.55×10⁴（N）
∵F_支?OF=F_B?OB，∴（N）
（2）
（3）
答：（1）柱塞对吊臂的支持力为7.65×10⁴N．
（2）滑轮组AB的机械效率为78.4%．
（3）整个起吊装置的机械效率为75%．
分析：作为一个实际场景中的问题，要学会和我们学过的知识联系起来，建立和场景对应的物理模型．本题的物理模型有两个：一是AB组成的滑轮组；二是OFB组成的杠杆．对AB这个滑轮组来说，有三段绳子在承重；对OFB这个杠杆来说，O是支点，B和F分别是阻力和动力的作用点．要把题目所有的已知和求解的物理量分解到这两个物理模型中去，哪些是AB这个滑轮组中的，哪些是OFB这个杠杆中的，再看题目要求解的，利用相应的公式进行求解．
点评：本题难度很大，对学生的要求很高．一是因为题目把所学的知识隐藏到了起吊装置这样一个实际场景中，二是因为本题所运用的公式较多，而且要求同学们能对这些公式进行灵活的运用．
同学们往往对实际场景的题目感到比较头疼，特别是像本题这种复杂的实际场景．解决实际场景的题目，关键在于要把实际场景与所学的知识点联系起来，建立起物理模型，再把题目已知的物理量套入物理模型中，这样一来，实际场景的题目就转化为解决物理模型的相关物理量，如本题就要求同学们把已知的看成杠杆的动力、阻力、动力臂、阻力臂之类的，这样思路就会比较清晰．