题目内容

如图所示,轻质杠杆AD用两根软绳悬挂于天花板上,两绳分别系在杠杆上的B、C两点.已知杠杆的长度为0.8m,BC间的距离为0.2m,CD间的距离为0.2m.用细绳将滑轮组固定在杠杆的A端,物体E(其质量可变)挂在动滑轮的挂钩上,每个滑轮重均为60N.物体H通过细绳挂在杠杆的D端,其质量始终保持不变.为使杠杆AD保持水平平衡,滑轮组所能提升重物E的最大质量m1与最小质量m2之比为4:1.杠杆、细绳的质量及一切摩擦均可忽略不计,取g=10N/kg.求:
(1)滑轮组对杠杆A端的最大拉力FA1与最小拉力FA2之比;
(2)重物E的最大质量m1;
(3)滑轮组的最小机械效率.(百分号前保留整数)
分析:(1)以B点为支点时,滑轮组对杠杆A端有最大拉力;以C点为支点时,滑轮组对杠杆A端有最小拉力,已知AB、AC、BD的长度,根据杠杆的平衡条件可求滑轮组对杠杆A端的最大拉力FA1与最小拉力FA2之比;
(2)以定滑轮为研究对象,受力分析;以两个动滑轮和物体E整体为研究对象进行受力分析,得出方程,代入数据即可解答;
(3)根据公式η=
W有用
W总
=
Gh
(G+G动)h
=
G
(G+G动)
可知,提升物体的重力越大,滑轮组的机械效率越高,提升物体的重力越小,滑轮组的机械效率越低.
解答:解:(1)以B点为支点时,滑轮组对杠杆A端有最大拉力FA1;以C点为支点时,滑轮组对杠杆A端有最小拉力FA2;
由图中距离关系可知:AB=0.4m,AC=0.6m,BD=0.4m
根据杠杆平衡条件:
    FA1×AB=GH×BD;①
    FA2×AC=GH×CD;②
①:②得出:FA1:FA2=3:1;
(2)以定滑轮为研究对象,滑轮组对杠杆A端的最大拉力FA1与等于定滑轮的重力与3段绳子所产生的拉力3F1之和; 即FA1=3F1+G定 ;①
最小拉力FA2等于定滑轮的重力与3段绳子所产生的拉力3F2之和;  即FA2=3F2+G定;②
以两个动滑轮和物体E整体为研究对象,受力分析;物体的最大重力为G1;得到方程4F1=G1+2G动;整理可得
GG1=4F1-2G动;③
物体的最小重力为G2;得到方程4F2=G2+2G动;整理可得G2=4F2-2G动;④
因为FA1:FA2=3:1=(3F1+G定):(3F2+G定)
所以
3F1+60N
3F2+60N
=
3
1
;
解得:F1=3F2+40N;⑤
因为m1:m2=4:1,所以G1:G2=m1:m2=4:1;
G1
G2
=
4F1-2×60N
4F2-2×60N
=
4
1
;⑥
解得:F2=130N;F1=430N;
G1=1600N;
所以重物E的最大质量mm1=
G1
g
=
1600N
10N/kg
=160kg;
(3)因为G1:G2=4:1,所以G2=
G1
4
=
1600N
4
=400N;
滑轮组的机械效率最小时,提升的物体的重力最小,最小重力为400N;
最小机械效率η=
W有用
W总
=
G2h
(G2+2G动)h
=
G2
(G2+2G动)
=
400N
400N+2×60N
×100%≈77%.
答:(1)滑轮组对杠杆A端的最大拉力FA1与最小拉力FA2之比为3:1;
(2)重物E的最大质量m1为160kg;
(3)滑轮组的最小机械效率为77%.
点评:本题考查拉力、质量、机械效率的计算,关键是杠杆平衡条件的应用,难点是对物体进行受力分析和机械效率变形公式的推导,是一道难题,解题过程中一定要细心,不然一步做错,后面的就会全部做错.
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