题目内容
11.如图甲是一种新型吊运设备的简化模型示意图,图中OC是一根以O点为支点的水平杠杆,AB表示对杠杆起固定作用且不可伸缩的缆绳,OC、AB的长度均为5m,BC的长度为1m.图中滑轮组绳子的自由端由额定电压为220V的电动机拉动,定滑轮的轴和电动机均固定在B点.在一次作业中,该吊运设备匀速竖直提升重为1000N物体,此时滑轮组的机械效率为80%,电动机做的功跟时间的变化关系如乙图所示.不考虑杠杆的质量、滑轮组绳子的质量、滑轮与轴和绳子间的摩擦.
(1)求第一次作业中物体匀速上升的速度为0.24m/s,绳子自由端的拉力为312.5N.
(2)第一次作业中,电动机每分钟产生1800J的热量,10s内电动机将物体提升到所需高度,则电动机所做的总功是3300J.
(3)第二次作业中,利用该设备以相同的速度匀速提升重为2000N的物体,滑轮组的机械效率、电动机的输出功率分别用η2、P2表示,若第一次作业中滑轮组的机械效率、电动机的输出功率分别用η1、P1表示,则η2>η1(选填“>”、“<”或“=”),$\frac{{P}_{2}}{{P}_{1}}$=$\frac{9}{5}$.
(4)两次作业中缆绳AB的拉力变化了2000N,缆绳AB拉力的力臂为2m.
分析 (1)根据图象求出电动机做功的功率,根据滑轮组的机械效率求出有用功率,又知道重物的重力即可利用P=Gv求出物体上升的速度;
由图可知:滑轮组的绳子股数n=4,绳子自由端的速度v′=nv,根据W=Fv′求出拉力;
(2)求出电动机工作10s做的有用功,知道10s产生的热量,可求电动机消耗的电能W=W机+W热;
(3)不考虑杠杆的质量、滑轮组绳子的质量、滑轮与轴和绳子间的摩擦,根据公式η=$\frac{{W}_{有用}}{{W}_{总}}$=$\frac{Gh}{Gh+{G}_{动}h}$=$\frac{G}{G+{G}_{动}}$得出效率关系;在第一次作业中,拉力F1=$\frac{1}{4}$(G1+G轮),求出G轮,W有用1=G1h,W有用2=G2h,
额外功W额=G轮h,可求总功,再利用P=$\frac{W}{t}$功率,进而求出功率之比;
根据W=Gh可知W有用2>W有用1,而额外功相同,所以W总2>W总1,由于以相同的速度匀速提升重为2000N的物体,则所用时间相同,根据P=$\frac{W}{t}$可知功率大小关系;
(4)根据杠杆平衡条件列出两次平衡的等式,结合拉力之差为2000N,即可求出拉力的力臂.
解答 解:
(1)由图象可知,t=5s时,W=1500J,则电动机做功的功率:
P总=$\frac{W}{t}$=$\frac{1500J}{5s}$=300W,
由η=$\frac{{W}_{有用}}{{W}_{总}}$=$\frac{{P}_{有用}t}{{P}_{总}t}$=$\frac{{P}_{有用}}{{P}_{总}}$得:P有用=P总η=300W×80%=240W,
由P有用=Gv物可得,物体上升的速度:
v物=$\frac{{P}_{有用}}{G}$=$\frac{240W}{1000N}$=0.24m/s,
由图可知,n=4,绳子自由端的速度:v=nv物=4×0.24m/s=0.96m/s,
由P总=Fv得拉力:
F1=$\frac{{P}_{总}}{v}$=$\frac{300W}{0.96m/s}$=312.5N;
(2)电动机工作10s对物体所做的机械功:W机=P总t=300W×10s=3000J,
10s产生的热量:Q=$\frac{10}{60}$×1800J=300J,
则电动机消耗的电能:W=W机+W热=3000J+300J=3300J;
(3)不考虑杠杆的质量、滑轮组绳子的质量、滑轮与轴和绳子间的摩擦,
根据机械效率公式η=$\frac{{W}_{有用}}{{W}_{总}}$=$\frac{Gh}{Gh+{G}_{动}h}$=$\frac{G}{G+{G}_{动}}$可知:
当G2>G1时,η2>η1;
在第一次作业中,拉力F1=$\frac{1}{4}$(G1+G轮)=312.5N;
所以动滑轮的重:G轮=4F1-G1=4×312.5N-1000N=250N,
则在第二次作业中,拉力F2=$\frac{1}{4}$(G2+G轮)=$\frac{1}{4}$×(2000N+250N)=562.5N,
两次提升的速度相同,电动机的输出功率即拉力做功的功率,
根据P=Fv可得,电动机的输出功率之比:
$\frac{{P}_{2}}{{P}_{1}}$=$\frac{{F}_{2}v}{{F}_{1}v}$=$\frac{{F}_{2}}{{F}_{1}}$=$\frac{562.5N}{312.5N}$=$\frac{9}{5}$;
(4)如图,拉力力臂为L1,![]()
不考虑杠杆的质量、绳子的质量、滑轮与轴和绳子间的摩擦,
匀速提升重为1000N的物体时,L2=OC-BC=5m-1m=4m,F2=G1+G轮+G电动机,
根据杠杆平衡条件F1L1=F2L2得:
F1L1=(G1+G轮+G电动机)×4m,---①
匀速提升重为2000N的物体时,F1′=F1+2000N(由题意可得),F2′=G2+G轮+G电动机,
根据杠杆平衡条件F1′L1=F2′L2得:
(F1+2000N)L1=(G2+G轮+G电动机)×4m,---②
②-①得:2000N×L1=(2000N-1000N)×4m,
解得:L1=2m.
故答案为:(1)0.24;312.5;(2)3300J;(3)>;$\frac{9}{5}$;(4)2.
点评 本题为力学综合题,考查了功率公式、效率公式、杠杆平衡条件的应用,要求认真审题,从中得出相关信息,灵活运用相关公式是关键,难度较大.
| A. | 站台 | B. | 甲车 | C. | 乙车 | D. | 自己 |
| A. | 身高约为160dm | B. | 100m短跑成绩约为6s | ||
| C. | 步行速度约为1m/s | D. | 脉搏正常跳动60次所用时间约为1s |
| 序号 | 动滑轮重 G动/N | 物重 G/N | 物体上升的 高度h/m | 绳端收到的拉力F/N | 绳端移动的距离s/m | 滑轮组的机械效率η/% |
| 1 | 0.5 | 1 | 0.1 | 0.6 | 0.3 | 55.6 |
| 2 | 0.5 | 2 | 0.1 | 1.0 | 0.3 | 66.7 |
| 3 | 0.5 | 4 | 0.1 | 0.3 |
(2)实验中,沿竖直方向匀速拉动弹簧测力计,使物体缓缓上升,在测量绳端所受的拉力时,弹簧测力计应匀速上升(选填“保持静止”或“匀速上升”)
(3)第三次试验时,测力计示数如图乙所示,此时绳端受到的拉力为1.8N,滑轮组的机械效率为74.1%
(4)根据表格中的数据分析可知:
①随着物重的增大,额外功变大(选填“变小”、“不变”或“变大”),原因是克服摩擦做功更多
②要提高同一滑轮组机械效率,可以采取增加提起的物重或减轻动滑轮重的措施.
| A. | 冬天用热水袋暖手 | |
| B. | 病人发烧时用冷毛巾在头部降温 | |
| C. | 汽油机压缩冲程中燃料混合物的温度升高 | |
| D. | 冬天喝牛奶前把牛奶放在热水中烫一烫 |
| 车次 | 南昌西开 | 上海虹桥到 | 运行距离 |
| G1346 | 09:43 | 13:18 | 780km |
| G1386 | 10:05 | 13:59 | 780km |
| G1348 | 10:26 | 13:41 | 780km |
(2)该趟高铁运行的平均速度为多少km/h?