Question

6．超高压水切割又称“水刀”，它是将普通水经过多级增压后，通过一个极细的喷嘴喷出一道高速“水箭”，对切割表面产生10⁸～10⁹Pa的压强．工业上常用来切割大理石、钢板等坚硬物体．下表是某高压水切割机技术参数：

型号	压强（Pa）	喷嘴横截面积（m2）	排量（m3/s）	油泵电机功率 （kw）	换向方式	电源（V）
2230	4×108	5×10-8	4×10-5	22	电子	380

（1）“水刀”有纯水切割和加磨料切割（磨料为密度大于水的石英砂、金刚砂）两种．高速水流能切割坚硬物体是因为高速水流具有较大的动能（填一种能量名称），加入磨料后切割能力大大提高了，这是因为质量越大，具有的动能也越大．
（2）若不考虑水从喷嘴喷出后横截面积的变化，高压水流对切割面的压力为多大？
（3）高压水切割机的切割效率是多少？（结果保留到1%）

Answer 1

分析 （1）物体由于运动而具有的能叫做动能，动能的大小与物体的质量和速度有关，质量越大、速度越大，动能就越大；
（2）由表格信息可知，高压水切割机工作时水流对切割面的压强，水从喷嘴喷出后不考虑横截面积变化时，切割面的面积，根据压强公式求出压力；
（3）由排量的物理含义可知以喷射水的速度，根据P=$\frac{W}{t}$=$\frac{FL}{t}$=Fv可求水刀的有效功率，再根据η=$\frac{{W}_{有}}{{W}_{总}}$=$\frac{{P}_{有}t}{{P}_{总}t}$=$\frac{{P}_{有}}{{P}_{总}}$求出切割效率．

解答 解：（1）高速水流能切割坚硬物体是因为高速水流具有较大的动能；
因动能的大小与物体的质量和速度有关，在速度一定时，质量越大，动能就越大，
所以，加入磨料后切割能力大大提高了；
（2）由p=$\frac{F}{S}$可得，高压水流对切割面的压力：
F=pS=4×10⁸Pa×5×10^-8m²=20N；
（3）由排量的物理含义可知：
Q=$\frac{V}{t}$=$\frac{SL}{t}$=Sv，
所以喷出水流的速度：
v=$\frac{Q}{S}$=$\frac{4×1{0}^{-5}{m}^{3}/s}{5×1{0}^{-8}{m}^{2}}$=800m/s，
水刀的有用功率：
P_有=$\frac{{W}_{有}}{t}$=$\frac{FL}{t}$=Fv=20N×800m/s=1.6×10⁴W=16kW，
高压水切割机的切割效率：
η=$\frac{{W}_{有}}{{W}_{总}}$=$\frac{{P}_{有}t}{{P}_{总}t}$=$\frac{{P}_{有}}{{P}_{总}}$=$\frac{16kW}{22kW}$×100%≈73%．
答：（1）动能；质量越大，具有的动能也越大；
（2）若不考虑水从喷嘴喷出后横截面积的变化，高压水流对切割面的压力为20N；
（3）高压水切割机的切割效率是73%．

点评 本题考查了动能的影响因素、压力的大小、效率以及功的计算的知识点，要求学生牢记有关计算公式，同时会灵活应用．