题目内容

如图所示,质量为70kg的工人站在岸边通过一滑轮组打捞一块沉没在水池底部的石材,该滑轮组中动滑轮质量为5kg.当工人用120N的力拉滑轮组的绳端时,石材仍沉在水底不动.工人继续增大拉力将石材拉起,在整个提升过程中,石材始终以0.2m/s的速度匀速上升.在石材还没有露出水面之前滑轮组的机械效率为η1,当石材完全露出水面之后滑轮组的机械效率为η2,且η1:η2=63:65.绳重及滑轮的摩擦均可忽略不计,石材的密度
ρ石=2.5×103kg/m3,取g=10N/kg,求:
(1)当人用120N的力拉绳端时,岸边地面对人的支持力为多大;
(2)在石材脱离水池底部至完全露出水面的过程中,地面对人的支持力的最大值与最小值之比;
(3)当石材露出水面之前,人拉绳子的功率;
(4)此人用这个滑轮组提升重物的最大机械效率.

【答案】分析:知道工人和动滑轮的质量,利用重力公式求工人和动滑轮的重力;利用η== 求未露出水面滑轮组的机械效率,利用η== 求露出水面后滑轮组的机械效率,知道效率比求石材的体积;进而求出石材重.
(1)人的重力等于拉力加上地面对人的支持力,据此求地面对人的支持力;
(2)石材在水中,知道石材的体积(排开水的体积),利用阿基米德原理求石材受到水的浮力,此时人的拉力最小,地面对人的支持力最大,地面的支持力F支1=G人-F拉1;石材离开水面,此时人的拉力最大,地面对人的支持力最小,地面的支持力F支2=G人-F拉2;可求地面对人的支持力的最大值与最小值之比;
(3)当石材露出水面之前,F拉1= (G石+G动-F浮),v=3×0.2m/s,利用P=Fv求人拉绳子的功率;
(4)滑轮组受到的向下的拉力最大等于人的重力,机械效率最大,绳重及滑轮的摩擦均可忽略不计,利用F=(G物+G动)求最大物重G物,再利用η== 求解.
解答:解:
工人的重力:
G人=m人g=70kg×10N/kg=700N,
动滑轮的重力:
G动=m动g=5kg×10N/kg=50N,
未露出水面滑轮组的机械效率:
η===,
露出水面后滑轮组的机械效率:
η===,
∵η1:η2=63:65,
即:=63:65,
将石块的密度和水的密度代入求得:
V石=0.04m3,
石块的重力:
G石=m石g=ρ石V石g=2.5×103kg/m3×10N/kg×0.04m3=1000N,
(1)地面对人的支持力:
F=G人-F拉=700N-120N=580N;
(2)石材在水中,受到水的浮力,此时人的拉力最小,地面对人的支持力最大,
石材受到的浮力:
F浮=ρ水V排g=1×103kg/m3×10N/kg×0.04m3=400N,
F拉1= (G石+G动-F浮)=(1000N+50N-400N)= N,
地面的支持力:
F支1=G人-F拉1=700N- N= N;
石材离开水面,此时人的拉力最大,地面对人的支持力最小,
F拉2= (G石+G动)=(1000N+50N)=350N,
地面的支持力:
F支2=G人-F拉2=700N-350N=350N;
F支1:F支2= N:350N=29:21;
(3)当石材露出水面之前,F拉1=(G石+G动-F浮)= (1000N+50N-400N)= N,
v=3×0.2m/s=0.6m/s
人拉绳子的功率:
P=F拉1v= N×0.6m/s=130W;
(4)重物露出水面后,滑轮组受到的向下的拉力最大,为F=G人=700N,
∵绳重及滑轮的摩擦均可忽略不计,
∴F=(G物+G动),
∴G物=3F-G动=3×700N-50N=2050N,
η====≈97.6%.
答:(1)当人用120N的力拉绳端时,岸边地面对人的支持力为580N;
(2)在石材脱离水池底部至完全露出水面的过程中,地面对人的支持力的最大值与最小值之比为29:21;
(3)当石材露出水面之前,人拉绳子的功率为130W;
(4)此人用这个滑轮组提升重物的最大机械效率为97.6%.
点评:本题考查了重力、阿基米德原理、机械效率、功率等的计算,难点是求根据效率比求石材的重力和石材浸没时的浮力,知识点多、综合性强,要求灵活选用公式求解.
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