Question

（2011?朝陽區(qū)一模）小陽站在地面上腳與地面的接觸面積是S_腳=500cm²，且保持不變，用圖甲所示的滑輪組提起在水中的物體A，物體A重G_A=735N，體積為V_A=1.5×10^-2m³．當物體緩慢勻速豎直上升，在物體A未離開水面前，小陽對地面的壓強是p₁，使用滑輪組的機械效率是η₁；在物體A完全離開水面后，小陽對地面的壓強是p₂，使用滑輪組的機械效率是η₂．水對物體的阻力、滑輪組輪與軸的摩擦、繩重和繩的伸長都忽略不計時，p₁：p₂=5：4，η₁：η₂=84：85．小陽仍用該滑輪組加一個定滑輪勻速拉動放在水平地面的物體B，如圖乙所示，他對地面的壓強p₃=2.94×10³Pa，物體B在t=3s時間內(nèi)移動s=0.6m．（g取9.8N∕kg）
求：（1）物體A的密度ρ_A及它在水中所受的浮力F_浮；
（2）小陽的體重G_人；
（3）當小陽拉動物體B時，機械效率和總功率．

Answer 1

分析：（1）知道物體A的重和體積，利用G=mg=ρVg求物體A的密度；利用阿基米德原理求受到的浮力；
（2）對人受力分析，受到三個力：重力G_人、繩子拉力F₁′、地面支持力N₁，如圖，可求小陽對地面的壓力N₁′=G_人-F₁，
利用壓強公式求小陽對地面的壓強，p₁=

G人-F1

S

，利用效率公式求η₁=

W有用1

W總1

=

(GA-F浮)h

(GA+G動-F浮)h

=

GA-F浮

GA+G動-F浮

；
同理，拉動水面上的物體時，可求小陽對地面的壓力N₂′=G_人-F₂，小陽對地面的壓強p₂=

N′2

S

=

G人-F2

S

，η₂=

W有用2

W總2

=

GA h

(GA+G動)h

=

GA

GA+G動

，
根據(jù)η₁：η₂=84：85求動滑輪重，根據(jù)F₁=

1

3

（G_A+G_動-F_浮）和F₂=

1

3

（G_A+G_動）求F₁和F₂的大小，再根據(jù)p₁：p₂=5：4求小陽的體重；
（3）人站在地面上靜止，拉動水平地面上的物體時，受到三個力：重力G_人、繩子拉力F₃′、地面支持力N₃，據(jù)此求小陽對地面的壓力N₃′=G_人-F₃，所以F₃=G_人-p₃×S，而F₃=

1

3

（G_動+f），據(jù)此求物體B在地面上運動時受到的摩擦力，利用η₃=

W有用3

W總3

=

fs

F3×3s

=

f

F3×3

求機械效率，再利用P=

W總

t

=

F3s

t

求總功率．

解答：解：（1）∵G=mg=ρVg，
∴物體A的密度：
ρ_A=

GA

VAg

=

735N

1.5×10-2m3×9.8N/kg

=5×10³kg/m³，
F_浮=ρ_水V_排g=1×10³kg/m³×1.5×10^-2m³×9.8N/kg=147N；
（2）人站在地面上靜止，拉動水中的物體時，受到三個力：重力G_人、繩子拉力F₁′、地面支持力N₁，如圖
由同一直線力的平衡，G_人=F₁′+N₁，
人對地面的壓力 N₁′與地面對人的支持力N₁為相互作用力，N₁′=N₁，
人對繩子的拉力F₁與繩子對人的拉力F₁′為相互作用力，F(xiàn)₁′=F₁，
小陽對地面的壓力：
N₁′=G_人-F₁，
小陽對地面的壓強：
p₁=

N′1

S

=

G人-F1

S

，
η₁=

W有用1

W總1

=

(GA-F浮)h

(GA+G動-F浮)h

=

GA-F浮

GA+G動-F浮

，
同理，人站在地面上靜止，拉動水面上的物體時，受到三個力：重力G_人、繩子拉力F₂′、地面支持力N₂，如圖
小陽對地面的壓力：
N₂′=G_人-F₂，
小陽對地面的壓強：
p₂=

N′2

S

=

G人-F2

S

，
η₂=

W有用2

W總2

=

GA h

(GA+G動)h

=

GA

GA+G動

，
∵η₁：η₂=84：85，
即：

GA-F浮

GA+G動-F浮

：

GA

GA+G動

=84：85，

735N-147N

735N +G動-147N

：

735N

735N +G動

=84：85，
解得：
G_動=36.75N，
∵摩擦、繩重和繩的伸長忽略不計，
∴F₁=

1

3

（G_A+G_動-F_浮）=

1

3

（735N+36.75N-147N）=208.25N，
F₂=

1

3

（G_A+G_動）=

1

3

（735N+36.75N）=257.25N，
∵p₁：p₂=5：4，
∴（G_人-F₁）：（G_人-F₂）=5：4，
G_人=5F₂-4F₁=5×257.25N-4×208.25N=453.25N
（3）人站在地面上靜止，拉動水平地面上的物體時，受到三個力：重力G_人、繩子拉力F₃′、地面支持力N₃，人對地面的壓力N₃′與地面對人的支持力N₃是相互作用力，大小相等．人對繩子的拉力F₃與繩子對人的拉力F₃′為相互作用力，F(xiàn)₃′=F₃，小陽對地面的壓力：
N₃′=G_人-F₃，
F₃=G_人-p₃×S=453.25N-2.94×10³Pa×500×10^-4m²=306.25N，
∵F₃=

1

3

（G_動+f），
∴物體B在地面上運動時受到的摩擦力：
f=3F₃-G_動=3×306.25N-36.75N=882N，
η₃=

W有用3

W總3

=

fs

F3×3s

=

f

F3×3

=

882N

306.25N

=

882N

306.25N×3

=96%．
P=

W總3

t

=

F3s

t

=

306.25×3×0.6m

3s

=183.75W．
答：（1）物體A的密度ρ_A為5×10³kg/m³，它在水中所受的浮力為147N；
（2）小陽的體重為453.25N；
（3）當小陽拉動物體B時，機械效率為96%，總功率為183.75W．

點評：本題為力學綜合題，考查了學生對重力公式、密度公式、阿基米德原理、壓強公式、效率公式、功率公式、力的合成的掌握和運用，知識點多、綜合性強，要求靈活運用所學知識，屬于難題．